\uf1ad

Vom Teufel erschaffen Prof. Paul Mayrhofer im Gespräch über Werkstoffe und Oberflächen

Forscher wie Paul Heinz Mayrhofer haben großen Anteil daran, dass intelligente Beschichtungen in der Industrie immer mehr Verbreitung finden. Bei einem Besuch in Wien erläutert der Werkstoffwissenschaftler, was sich dahinter verbirgt und welche Rolle Oerlikon Balzers dabei spielt.


Prof. Paul Heinz Mayrhofer

«Ohne Werkstoffwissenschaft würde es keine Technik geben.
Die Entwicklung der Menschheit war immer mit Werkstoffen verbunden. Nicht
umsonst hat man ganze Epochen nach ihnen benannt: Steinzeit, Bronzezeit, Eisenzeit, ...»

Wien, Technische Universität, Getreidemarkt 9. Es ist ein kalter Dienstag im März, neun Uhr morgens, und der Univ. Prof. Dipl.Ing. Dr. mont. Paul Heinz Mayrhofer ist pünktlich. Ein freundlicher, jugendlich wirkender Herr, der wohlwollend zuhört und geduldig antwortet. Mayrhofer sagt, gegen Mittag habe er Sprechstunde, um 14 Uhr Vorlesung: »Wollen wir?«

Wir wollen. Es gibt viel zu sehen und noch mehr zu besprechen.

Professor Mayrhofer ist Leiter des Forschungsbereichs Werkstoffwissenschaft der TU Wien. Er hat in Leoben in der Steiermark studiert und im USBundesstaat Illinois, in Schweden und Aachen geforscht. Mayrhofer ist Spezialist für Hartstoffschichten. Für seine Arbeit wurde er mit einer Reihe von Preisen ausgezeichnet. 2011 verlieh ihm die renommierte Christian-Doppler-Forschungsgesellschaft ein siebenjähriges Labor, das er dieses Jahr an der TU Wien abschließt.

Schon stehen wir in einem Kellerraum, wo ein Teil des Christian Doppler Labors Application Oriented Coating Development eingerichtet ist. Unterstützt wird es von Oerlikon Balzers und der Tiroler Plansee Group, die pulvermetallurgische Werkstoffe herstellt. Zwischen bunten Schläuchen, Drähten und grauen Schränken stehen eine Reihe von Apparaturen, denen Mayrhofer und seine Studenten Frauennamen gegeben haben. Eine heißt Angie, eine Ylvi, eine ist nach Noreia, der keltischen Göttin des Erzes, benannt.

Mayrhofer zeigt eine Kathode aus Tantal. Das Material wird in den Apparaturen unter hoher Energieeinwirkung atomar verdampft. Das Verfahren nennt sich physikalische Dampfphasenabscheidung (Physical Vapor Deposition, PVD). Die Teilchen, die dabei freigesetzt werden, gehen nun eine Verbindung mit den Materialien und Elementen in ihrer Umgebung ein. Sollten sie dabei auf Bohrer, Spindeln, Kolben ringe oder ähnliches treffen, erhalten diese Beschichtungen, die wesentlich dünner sein können als ein menschliches Haar und beinahe so hart wie Diamant.

Die größte Apparatur, die der Professor mit seinen Mitarbeitern für Forschungszwecke nutzt, heißt INNOVA und wurde von Oerlikon Balzers zur Verfügung gestellt. Sie befindet sich fünf Minuten Fußmarsch entfernt in den alten Räumlichkeiten der TU am Karlsplatz.

Raum ACEG31. Draußen ein Schild: PVD-Labor. Drinnen ein eckiger Kasten, der aussieht wie ein monströser Backofen mit verrußten Heizschlangen. Bis zu sechs Kathoden mit unterschiedlichen Materialien können in der INNOVA eingesetzt werden. Mittels Lichtbogenverdampfungsverfahren, aber auch Kathodenzerstäubung, wird das Material in den dampfförmigen Zustand überführt. Durch elektromagnetische Spulen kann die Flugbahn der Ionen gesteuert werden. Damit sie leichter den richtigen Anschluss finden. Der Professor sagt: »Man muss dazu die Materialien bis zur atomaren Ebene genau verstehen.«

Mehr dazu in Mayrhofers Büro. Auf den Schränken Kristallmodelle. Ander Wand eine große weiße Tafel mit einer Skizze aus chemischen Kürzeln, Buchstaben und Zahlen zwischen Kreisen und Pfeilen.


Prof. Mayrhofer, verraten Sie uns, was sich hinter den Formeln auf der Tafel verbirgt?
Wir beschäftigen uns gerade mit Wolframcarbid und Wolframnitrid. Der Ansatz ist, Wolfram in eine harte, feste Schicht einzubauen. Bei Kontakt mit einer schwefelhaltigen Umgebung und hohen Drücken entwickelt diese einen Schmierstoff. Die Wirkung wäre vergleichbar mit Molybdänsulfid.

Im Prinzip kreieren Sie Werkstoffe, die es in der Natur so nicht gibt, richtig?
So ist es. Unser Ziel ist es, Werkstoffe mit höherer Festigkeit und höherer Zähigkeit zu entwickeln, aber auch höherer thermischer Stabilität. Meistens sind diese Eigenschaften jedoch gegenläufig. Wenn Sie die Härte eines Materials verbessern, machen Sie das normalerweise auf Kosten der Zähigkeit. Und umgekehrt.

Ein Beispiel für den Laien wäre?
Gold ist bekanntermaßen ein weiches Metall, das man gut verformen kann. Ein Messer aus Gold hingegen würde wenig Sinn machen, weil es nach dem ersten Schnitt stumpf wäre. Bei einem Messer aus Keramik passiert das nicht. Allerdings würde das, wenn es runterfällt, sofort zerbrechen. Wir suchen also die Verbindung aus den Stärken von Materialien, um damit ihre Schwächen zu kompensieren.

Wie kommt man zu so einem Beruf?
In meiner Schule im Burgenland gab es in der 8. Schulstufe einen Eignungstest für die Berufswahl. Dabei kam heraus, dass ich einen technischen Beruf machen sollte. Ein Cousin meiner Mutter war Werkstättenlehrer an der Höheren Technischen Lehranstalt (HTL) in Eisenstadt. Der meinte, ich solle die Fachrichtung Werkstofftechnik wählen. Einige Lehrer an der HTL kamen von der Montanuniversität Leoben, wo ich dann auch Werkstoffwissenschaft studiert habe.

Was ist das Faszinierende an Werkstoffwissenschaft?
Ohne Werkstoffwissenschaft würde es keine Technik geben. Die Entwicklung der Menschheit war immer mit Werkstoffen verbunden. Nicht umsonst hat man ganze Epochen nach ihnen benannt: Steinzeit, Bronzezeit, Eisenzeit, …

In welcher Werkstoffepoche leben wir heute?
Als Werkstoffwissenschaftler würde ich sagen: in der Siliziumzeit. Silizium ist ein Halbleiter. Ergo ginge auch Halbleiterzeit. Allerdings braucht man für die Kommunikation der modernen Welt, also Smartphones, Computer, Laptops und so weiter, auch Metalle der Seltenen Erden. Das ist noch ein weitgehend unbekanntes Feld.

Welche Werkstoffe stehen bei Ihrer Forschung besonders im Fokus?
Eine Werkstoffklasse, die mich meine ganze Laufbahn hindurch begleitet hat, sind die Nitride. Das sind die chemischen Verbindungen des Stickstoffs mit Metallen. Eine Verbindung, mit der mein Name weltweit verbunden wird, ist das Titanaluminiumnitrid.

Welche Werkstoffe könnten in Zukunft von Bedeutung sein?
Was zuletzt immer mehr in den Mittelpunkt gerückt ist, sind die Boride, also chemische Verbindungen von Bor mit Metallen, die keramische Eigenschaften aufweisen. Die sind noch härter als die Nitride, aber naturgemäß auch viel spröder.

Materialien aus zwei Elementen wie binäre Nitride, Karbide oder Boride gelten als gut erforscht. Welches Potenzial haben Materialien aus drei oder mehreren Elementen?
Wir sprechen von ternären, quaternären oder multinären Verbindungen. Hier können die Materialeigenschaften deutlich verbessert werden. Gleichzeitig steigt bei der Entwicklung derartiger multinärer Systeme die Komplexität. Anders gesagt: Man braucht viel länger, um diese Verbindungen exakt zu erforschen und zu verstehen.

Zum Beispiel?
Titannitrid ist eine gängige Verbindung aus zwei Elementen, das schon lange eingesetzt wird. Nachteil: Es bildet eine poröse Oxidschicht. Fügt man dem Titan und dem Stickstoff aber Aluminium bei, ändern sich die Materialeigenschaften deutlich. Auch das Aluminium bildet eine Oxidschicht, die allerdings stabil und dicht ist. Titanaluminiumnitrid ist ein Werkstoff, der bei mechanischer Beanspruchung und Temperatur eine höhere Festigkeit entwickelt, deshalb ist er besonders geeignet für Bohr-, Schneid- oder Fräswerkzeuge.

Wenn man alle bekannten Elemente kombiniert, ergibt das doch unzählige Möglichkeiten.
Richtig, durch die Permutation gibt es Millionen Ansatzpunkte. Da stehen Sie als Forscher ein Leben lang vor Fragen, das hört nie auf, insbesondere bei Beschichtungen. Die Oberfläche ist immer kompliziertes Terrain, weil sie vielen Einflüssen ausgesetzt ist. Der Physiker Wolfgang Pauli hat gesagt: »Das Innere wurde von Gott erschaffen, die Oberfläche vom Teufel.«

Sie haben in Ihrem Labor eine INNOVA von Oerlikon Balzers. Wofür nutzen Sie diese Anlage?
Wir nutzen die INNOVA für eine möglichst industrienahe Prozessentwicklung. Ziel sind belastbare, stabile Beschichtungen. Dabei erarbeiten wir Grundlagenwissen. Was funktioniert? Wo und wie funktioniert es? Welches Spektrum an Möglichkeiten gibt es? Dabei nutzen wir auch aufwändige Computersimulationen, mit denen die Eigenschaften der Beschichtungen auf atomarer Skala berechnet und verbessert werden. Oerlikon Balzers verfeinert unsere Erkenntnisse dann mit ihren Spezialisten für die Anwendung beim Kunden.

Wie beurteilen Sie das Zusammenspiel zwischen Forschung und Industrie allgemein?
Forschung und Industrie gehen Hand in Hand. Die Forschung braucht die Anwendungen der Industrie. Die Industrie braucht die Erkenntnisse und das Wissen der Forschung. Beide sind untrennbar verbunden.

Sie sind Studiendekan für Maschinenbau, Wirtschaftsingenieurwesen und Materialwissenschaft. Können Sie den Mehrwert dieser Interdisziplinarität erklären?
Nehmen Sie eine Turbine. Bei der werden die Werkstoffe am Limit betrieben. Die Turbinenschaufel muss besonders zäh sein, sie darf auf keinen Fall brechen. Bei 1300 Grad Celsius braucht sie natürlich eine keramische Beschichtung. Das ist Werkstoffwissenschaft pur. Der Maschinenbau liefert die technische Ausstattung drum herum. Und der Wirtschaftsingenieur muss dafür sorgen, dass die Turbine wirtschaftlich produziert werden kann. Damit es funktioniert, müssen alle einander verstehen.

Zurück zur Werkstoffwissenschaft. Wenn ich den Fachbereich mit einer Weltkarte vergleiche: Ist alles bekannt und kartographiert oder gibt es noch weiße Flecken?
Meinem Gefühl nach gibt es noch ganz viele weiße Flecken. Wir sind in unserem Bereich eher am Anfang der Entdeckungen, weil wir die meisten Elementkombinationen noch gar nicht kennen.

Wo steht die Forschung? Sind wir noch bei Marco Polo oder schon bei Christoph Columbus?
Weder noch. Wir kennen auf die Werkstoffwissenschaft bezogen nur Teile von Europa. Von allen anderen Kontinenten – um im Bild zu bleiben – wissen wir wahrscheinlich nicht einmal, dass es sie gibt.

 
Prof. Paul Heinz Mayrhofer

Prof. Paul Heinz Mayrhofer, geboren 1972, lebt mit seiner Familie in Neckenmarkt im Burgenland.

 

Flexibler Allrounder für ehrgeizige Vorhaben
INNOVA ist die bevorzugte Beschichtungsanlagen-Größe für die meisten Anforderungen in der Produktion und perfekt geeignet für kleine bis große Mengen.
Sie ist der Allrounder für PVDBeschichtungen. So ist der Name INNOVA Synonym für Performance, Verlässlichkeit und Vielseitigkeit geworden.

Erfahren Sie mehr über INNOVA:
www.oerlikon.com/innova

Kontakt aufnehmen