(AF) Wie feine Adern ziehen sich die Fasern aus Kohlenstoff, Keramik oder Glas durch das metallische oder keramische Matrixmaterial. Sie dienen als Puffer, die verhindern sollen, dass der Werkstoff bei mechanischer Belastung einfach spröde auseinander bricht. Nun sind solche Fasern von Natur aus ebenfalls recht spröde Gesellen. Deshalb werden sie von Wissenschaftlern der Chemnitzer Professur für Physikalische Chemie mit einer gleitenden Schicht umhüllt, die dafür Sorge trägt, dass sich die Fasern unter äußerer Kraft-einwirkung in den hauchdünnen Kanälen hin und her bewegen können und auf diese Weise die Matrix entlasten. Solche bis zu 100 Nanometer dünnen Schichten werden mit Hilfe der chemischen Gasphasenabscheidung, kurz CVD, auf die nur wenige Mikrometer dünnen Einzelfasern abgeschieden. Dabei kommt eine solche Gleitschicht in der Praxis nur selten allein: Das konkrete Einsatzgebiet der faserverstärkten Verbundwerkstoffe bestimmt darüber, ob die Fasern zudem mit einer oxidationsbeständigen Schicht oder einer Haftschicht umgeben werden - oder von einer Diffusionsbarriere, die ungewollte Reaktionen zwischen Matrix und Faser verhindern soll.

Gleitfähige Adern verhindern Brüche

Auf dem Gebiet der faserverstärkten Verbundwerkstoffe arbeitet die Professur für Physikalische Chemie derzeit unter Leitung von Prof. Dr. Günter Marx an einem Projekt der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) zu "Transluzenten Glasfaser/Glas- Verbundwerkstoffen".

Selbst die Sterne waren für die Chemnitzer Chemiker schon einmal zum Greifen nahe: In Zusammenarbeit mit Daimler-Aerospace beteiligte sich das Team um Professor Marx in den neunziger Jahren mit beschichteten Fasern am Test eines faserverstärkten keramischen Hitzeschildes für unbemannte Raumflugkörper. Die Uni-Forscher brachten dabei mittels CVD- Verfahren etwa 100 Nanometer dünne Gleitschichten aus graphitischem Kohlenstoff und nur 50 Nanometer dünne und hitzebeständige Diffusionsbarrieren aus Siliziumcarbid auf Kohlenstoff-Fasern in der Keramik-Matrix. Die Tests, die mit dem Hitzeschild im All durchgeführt wurden, machten seinem Namen alle Ehre: Beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre hielt er wacker selbst Temperaturen von 2.000 Grad Celsius stand.

Implantate müssen rau sein

Darüber hinaus können dünne Schichten für andere Einsatzgebiete auch elektrochemisch hergestellt werden. Die Chemiker um Professor Marx setzen dabei auf ein Verfahren, das bereits vor 20 Jahren an der hiesigen Technischen Hochschule, dem Vorläufer der Chemnitzer Uni, entwickelt wurde. Die so genannte plasmachemische Konversionsschichtbildung ermöglicht es nämlich, dass keramikähnliche dünne Oxidschichten auf Metalloberflächen abgeschieden werden können. Das Chemnitzer Prinzip ist einfach: Zwei Elektroden werden in eine wässrige Lösung gebracht, in der sich auch die Ionen für die Oxidschicht befinden. Dabei wird die zu beschichtende Oberfläche als Elektrode positiv polarisiert. Bei Stromfluss und hohen Spannungen kommt es an diesem Pol zu plasmachemischen Entladungen, wobei sowohl aus Komponenten des Basismaterials als auch durch inkorporierte Elektrolyt-Ionen neuartige Konversionsschichtsysteme entstehen, die heute in der Luft- und Raumfahrt ebenso gefragt sind wie in der Medizintechnik. Besonders wegen ihrer Bioverträglichkeit werden diese robusten Oxidschichten überaus geschätzt. In einem weiteren aktuellen Projekt beschichten die Chemnitzer Chemiker künstliche Hüftgelenke und Zahnimplantate, denn gerade die speziell strukturierte Oberfläche der Oxidschicht bietet für das umliegende Gewebe eine gute Angriffsfläche, damit Titan-Implantate oder Endoprothesen bioverträglich einwachsen. Seit letztem Jahr kooperiert die Professur für Physikalische Chemie der Technischen Universität Chemnitz mit dem Implantat-Hersteller Heraeus-Kulzer GmbH & Co. KG aus Hanau und mit der Leipziger Universitätsklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirugie. Die Chemiker beschichten dabei Zahnimplantate elektrochemisch mit modifizierten Titanoxiden. Solche medizintechnischen Produkte benötigen oftmals mehrere Mikrometer dicke Oxidschichten für ihre bioverträglichen Eigenschaften.

Transluzente Gläser sind nicht völlig transparent und werden deshalb oftmals für dekorative Zwecke eingesetzt. Gemeinsam mit Wissenschaftlern aus Freiberg und Ilmenau werden nun die Glasfasern, die sich durch die Glasmatrix ziehen, mit einer Oxidschicht - vornehmlich mit Titan- oder dotiertem Zinnoxid - umhüllt. Ziel der DFG-Forscher ist es noch bis zum Jahr 2003, das Deko-Glas somit wesentlich bruchzäher zu machen.