Max-Planck selbstheilende Metalle

Das Bild zeigt, wie sich die atomare Anordnung in einem Nickel-Titan (NiTi)-Material ändert, wenn eine äußere Spannung angelegt wird. Die ursprüngliche B2 NiTi-Phase (linkes Bild) verändert sich dabei zu einer sogenannten B19? NiTi-Phase (rechtes Bild), die sich durch Zwillingsgrenzen auszeichnet. Die Zwillinge (jeweils links und rechts der Zwillingsgrenze) können ineinander durch Spiegelung überführt werden. Bild: Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Die beiden Wissenschaftler werden seit Juli 2014 mit rund 400.000 Euro für drei Jahre vom Schwerpunktprogramm 1568 der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Darin wird seit 2011 versucht, das Konzept der Selbstheilung bei verschiedenen Materialien zu untersuchen. Selbstheilungsprozesse bei Metallen wurden bisher nur für Oberflächen oder Hochtemperaturwerkstoffe untersucht. Ziel des aktuellen Engagements ist es, eine neue Generation selbstheilender Materialien für verschiedene technologische und medizinische Anwendungen zu entwickeln.

Die Idee der beiden Wissenschaftler ist es, Nanopartikel aus Titan und Nickel in potenzielle Rissbildungsstellen einzubauen. Diese Nanopartikel sind aus einer so genannten Formgedächtnislegierung, also einer Materialkombination, die sich nach mechanischer Verformung an ihre ursprüngliche Form “erinnert” und in diese zurückkehrt. Tritt ein Defekt in einem Bauteil auf, so erinnert sich das Material dank der hinzugefügten Nanopartikel an seine ursprüngliche Mikrostruktur und kehrt zu dieser zurück. Somit würde der Defekt von selbst heilen und Reparaturkosten sparen.

Wie es in einer aktuellen Mitteilung des Max-Planck-Instituts heißt, gibt es vier konkrete Herausforderungen bei dieser Idee: “Zuallererst muss ein Materialsystem gefunden werden, dessen Mikrostruktur es erlaubt, gezielt Nanorisse einzubauen in die die Formgedächtnis-Nanopartikel eingefügt werden. Dies ist bei früheren Ansätzen nur in makroskopisch großen Kristallen gelungen. Hinzu kommt, dass bisherige Formgedächtnislegierungen immer einen externen Trigger, in Form von Wärme, Magnetismus oder mechanischer Umformung brauchten. Grabowski und Tasan wollen aber Formgedächtnislegierungen einbauen, die ohne externe Hilfe in ihre ursprüngliche Form zurückkehren und somit erlauben, dass das Material sich vollständig von selbst repariert. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, entwickelten die Wissenschaftler ein einmaliges Konzept.”

Grabowski aus der Abteilung “Computergestütztes Materialdesign” stellt mit Hilfe der Quantenmechanik Leitlinien auf, um die Auswahl passender Materialsysteme zu begrenzen. Tasan aus der Abteilung “Mikrostrukturphysik und Legierungsdesign” stellt mittels Hochdurchsatzverfahren, das es ermöglicht, in wenigen Tagen verschiedenste Materialkombinationen herzustellen, diese Materialsysteme her und testet ihre Eigenschaften. Nur diese Kombination aus Theorie und Experiment ermögliche den erzielten Fortschritt, heißt es. So haben die Materialwissenschaftler bereits ein Modell-Materialsystem gefunden und die grundlegende Charakterisierung der Mikrostruktur abgeschlossen. Im nächsten Schritt erfolge die Herstellung, um die theoretischen Vorhersagen zu überprüfen.

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Max-Planck-Institut für Eisenforschung / fu