Im Juli 2026 berichtete die zentrale Rundfunknetzseite in einem Sonderbeitrag über den bahnbrechenden Erfolg des jungen wissenschaftlichen Nachwuchses Liu Zetan und seines Teams vom Xianyang Keramikinstitut des China Building Materials Research Institute – die erfolgreiche einteilige Formgebung von meterlangen, großformatigen Siliziumkarbid-Rohlingen, die die Fertigungskapazität für fortschrittliche Keramikbauteile von der „Dezimeter-Ebene“ auf eine neue Höhe der „Meter-Ebene“ hob.
Dieser Durchbruch markiert einen entscheidenden Schritt Chinas auf dem Weg zur autonomen und kontrollierbaren Versorgung mit Schlüsselmaterialien auf Keramikbasis im High-End-Bereich.
Der „Größenfluch“ der Hochleistungskeramik
Siliziumkarbid (SiC)-Hochleistungskeramik wird aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie hohe Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, hohe Härte und geringe Dichte allgemein als „Skelett“ und „Rüstung“ der nächsten Generation von High-End-Geräten angesehen. Von heißen Komponenten in Flugzeugtriebwerken, Hitzeschutzstrukturen in Raumfahrzeugen, über Kernkomponenten in der Halbleiterfertigung bis hin zu Brennstoffhüllen in Kernreaktoren – großformatige, hochzuverlässige Siliziumkarbid-Keramikbauteile sind unverzichtbare strategische Güter.
Die Herstellung von Hochleistungskeramik steht jedoch seit langem unter einem „Größenfluch“: Sobald die Abmessungen das übliche Maß überschreiten, steigt der Schwierigkeitsgrad exponentiell. Mit dem Übergang der Rohlinggröße in den Meterbereich wird die durch innere Spannungen verursachte Rissbildung extrem schwer zu kontrollieren – selbst der kleinste Fehler kann alle bisherigen Bemühungen zunichtemachen. Lange Zeit galt die einteilige Formgebung von meterlangen, großformatigen Siliziumkarbid-Rohlingen in der Branche als „unmögliche Aufgabe“.
Diese technologische Engstelle schränkte direkt Chinas Fähigkeit zur autonomen Versorgung mit High-End-Keramikbauteilen in strategischen Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Halbleiter und Kernenergie ein.
Das „Unmögliche“ mit den „ersten Prinzipien“ zerlegen
Angesichts dieser allgemein anerkannten Herausforderung entschied sich das Team des Xianyang Keramikinstituts des China Building Materials Research Institute nicht dafür, an bestehenden Verfahren herumzudoktern, sondern wählte einen grundlegenderen Weg – die Lösung mit den „ersten Prinzipien“.
Zurück zu den physikalisch-chemischen Grundlagen, um die „Rissbildung“ neu zu verstehen
Liu Zetan und sein Team gingen wie folgt vor: Sie setzten alle erfahrungsbasierten Vorurteile zurück und kehrten zu den grundlegendsten physikalischen und chemischen Theorien zurück. Sie „zerlegten“ den gesamten Formgebungsprozess und überarbeiteten und optimierten jeden Schritt von den grundlegendsten Mechanismen aus.
Bei der Umstellung auf das Nass-Gelgießverfahren geriet die Erhöhung des Feststoffgehalts der Aufschlämmung in eine Sackgasse. Das Team blieb nicht an der Oberfläche hängen, sondern kehrte zu den grundlegendsten Fragen zurück: Was ist die Dispersionskonformation des Dispergiermittels in der Lösung? Welche tiefgreifenden Wechselwirkungen gibt es mit den Rohstoffen? Was bedeutet jedes Detail bei der Zugabe der Reagenzien?
Durch umfangreiche Literaturrecherchen, wiederholte Experimente und Teamdiskussionen durchbrachen sie nicht nur die technologischen Engpässe, sondern etablierten auch ein Denkmodell zur Ableitung von Prozessproblemen aus grundlegenden Prinzipien.
Hartnäckiges Verfolgen der grundlegenden Logik, schrittweises „Wegkratzen“ von Risikopunkten
Bei der Bewältigung der einteiligen Formgebung von meterlangen, großformatigen Rohlingen zerlegte das Team den gesamten Prozessablauf vollständig und führte für jeden Schritt theoretische Ableitungen und experimentelle Überprüfungen durch. Bei Bedarf wurde die traditionelle Prozessroute entschlossen durchbrochen.
Von der Aufschlämmungsherstellung über das Gießformen bis hin zum Trocknen und Sintern wurde jeder Schritt neu bewertet und optimiert, wobei nach und nach die Risikopunkte für Rissbildung „weggekratzt“ wurden. Schließlich wurden meterlange, großformatige Rohlinge erfolgreich hergestellt, und die Gesamtleistung des Produkts wurde auf ein völlig neues Niveau gehoben.
„Philosophie des Nachtlichts“: Das große Ziel in tägliche konkrete Handlungen zerlegen
Liu Zetan fasste diese Methodik als „Philosophie des Nachtlichts“ zusammen: „Der Druck kommt von der Größe des Gesamtziels und der Angst vor dem Unbekannten. Es ist wie eine Nachtfahrt: Die Scheinwerfer können nur die 50 Meter voraus beleuchten, aber das hindert einen nicht daran, das Ziel zu erreichen.“
Er zerlegte das große Ziel in tägliche konkrete Handlungen – heute einen Parameter optimieren, morgen eine Rezeptur validieren, übermorgen eine Aufheizkurve anpassen. Es ist diese Denkweise, „die Hürden in Stufen zu zerlegen“, die es dem Team ermöglichte, Schritt für Schritt das Ziel zu erreichen, das unmöglich schien.
Von „erfahrungsgetrieben“ zu „von grundlegenden Prinzipien getrieben“
Der tiefere Wert dieses Durchbruchs liegt nicht nur in der Herstellung eines großformatigen Siliziumkarbid-Rohlings, sondern auch in der Etablierung eines reproduzierbaren Forschungs- und Entwicklungsparadigmas, das „von grundlegenden Prinzipien getrieben“ wird.
Die traditionelle Optimierung von Keramikprozessen beruhte oft auf Erfahrungswissen und Trial-and-Error – einen Parameter anpassen, das Ergebnis betrachten, dann den nächsten anpassen. Diese Methode ist bei der Bewältigung der nichtlinear verstärkten inneren Spannungsprobleme im Meterbereich äußerst ineffizient und risikoreich.
Der Ansatz von Liu Zetans Team war anders: Sie gaben sich nicht damit zufrieden zu „wissen, wie es geht“, sondern fragten „warum es so gemacht wird“. Von der Molekülkonformation des Dispergiermittels über die Wechselwirkungskräfte zwischen den Partikeln bis hin zum Fließverhalten der Aufschlämmung und der Spannungsentwicklung während des Trocknens – jeder Schritt wurde auf die grundlegendsten physikalisch-chemischen Prinzipien zurückgeführt und abgeleitet.
Diese Methodik, „die Grundlagenforschung gründlich zu durchdringen“, löste nicht nur das aktuelle technische Problem, sondern befähigte das Team auch, von einem Fall auf andere zu schließen und neue Herausforderungen schnell zu bewältigen.
Der strategische Sprung von „Engpass“ zu „Made in China“
Luft- und Raumfahrt: Ausstattung der „nationalen Schwergewichte“ mit einem eigenen Keramikmotor
Großformatige Siliziumkarbid-Keramikbauteile sind Schlüsselmaterialien für heiße Komponenten in Flugzeugtriebwerken und Hitzeschutzsysteme von Raumfahrzeugen. Bisher war China in diesen Bereichen aufgrund begrenzter Fertigungskapazitäten lange Zeit auf Importe angewiesen oder durch ausländische Technologiesperren eingeschränkt. Der Durchbruch bei der einteiligen Formgebung von meterlangen Siliziumkarbid-Rohlingen legt das materielle Fundament für die Autonomie bei Schlüsselkomponenten nationaler Schwergewichte wie dem chinesischen Großraumflugzeug und neuen Trägerraketen.
Halbleiterfertigung: Lösung des „Engpasses“ bei Kernkomponenten von Fertigungsanlagen
Im Bereich der Halbleiterfertigung ist Siliziumkarbid ein unverzichtbares Material für Komponenten in Kernanlagen wie Ätzmaschinen und Wärmebehandlungsanlagen. Die Fähigkeit zur autonomen Herstellung großformatiger, hochreiner Siliziumkarbid-Bauteile steht in direktem Zusammenhang mit der Autonomie und Kontrollierbarkeit der chinesischen Chip-Lieferkette. Dieser technologische Durchbruch könnte die passive Situation beenden, in der keramische Kernkomponenten für Halbleiteranlagen lange Zeit importiert werden mussten.
Kernenergie: Bereitstellung zuverlässiger „Behälter“ für fortschrittliche Reaktoren
Aufgrund seiner hervorragenden Neutronenökonomie und Hochtemperaturstabilität wird Siliziumkarbid intensiv für Brennstoffhüllen und Strukturmaterialien in Kernreaktoren der nächsten Generation erforscht. Die Technologie der einteiligen Formgebung von meterlangen, großformatigen Rohlingen bietet einen realisierbaren Fertigungsweg für den Bedarf an großen keramischen Strukturbauteilen im Kernenergiebereich.
Technologischer Spillover: Ausstrahlung auf die gesamte Wertschöpfungskette der Hochleistungskeramik
Das vom Team etablierte Denkmodell und die Methodik zur „Ableitung von Prozessproblemen aus grundlegenden Prinzipien“ können auf andere Hochleistungskeramiksysteme wie Oxidkeramik und Nitridkeramik übertragen werden. Dieser Durchbruch ist nicht nur ein Fortschritt im Bereich Siliziumkarbid, sondern wird die gesamte Hochleistungskeramikindustrie von der „erfahrungsbasierten Herangehensweise“ hin zum „wissenschaftlichen Design“ führen.