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Eisenforschung

Metalle heilen sich selbst

Die Beule im Auto verschwindet wie von Geisterhand. Klingt unglaublich – doch bald könnte diese Vorstellung Wirklichkeit werden. Der Grund: Materialforscher am Düsseldorfer Max-Planck-Institut für Eisenforschung entwickeln sich selbst heilende Metalle.

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Änderung der atomaren Anordnung in einem Nickel-Titan (NiTi)-Material, wenn eine äußere Spannung angelegt wird.
Änderung der atomaren Anordnung in einem Nickel-Titan (NiTi)-Material, wenn eine äußere Spannung angelegt wird.
(Bild: Max-Planck-Institut für Eisenforschung)

Ob Schäden in der Autokarosserie oder tragende Brückenelemente: selbstheilende Metalle könnten in Zukunft mechanische Defekte ohne externen Einfluss reparieren und so zu ihrer ursprünglichen Funktionalität zurückkehren. Die Forschungsgruppe „Adaptive Strukturwerkstoffe“ um Dr. Blazej Grabowski und Dr. Cem Tasan am Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf führt das Prinzip der Selbstheilung für Metalle ein.

Mechanische Verformung erzeugt Phasenumwandlung

Die beiden Wissenschaftler werden seit Juli 2014 mit rund 400.000 Euro für drei Jahre vom Schwerpunktprogramm 1568 der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Ziel ist es eine neue Generation selbstheilender Materialien für verschiedene technologische und medizinische Anwendungen zu entwickeln.

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Besonders interessant sind selbstheilende Materialien bei Anwendungen mit Bauteilen, die nur beschränkt zugänglich sind (zum Beispiel in Windparks) oder bei Anwendungen, deren Materialien besonders zuverlässig sein müssen (zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrt). Die beiden Max-Planck-Wissenschaftler kennen bereits den Einfluss von sogenannten Phasenumwandlungen auf die mechanischen Eigenschaften von Metallen.

Dabei ist eine Phase ein räumlicher Bereich innerhalb eines Materials, bei dem die Zusammensetzung der Materie und bestimmende physikalische Parameter, wie die Dichte, homogen sind. Die Umwandlung von einer Phase in eine andere kann unter anderem durch mechanische Verformung verursacht werden.

Nanopartikel „erinnern“ sich an die ursprüngliche Form des Bauteils

Die Idee der beiden Gruppenleiter ist nun, Nanopartikel aus Titan und Nickel in potentielle Rissbildungsstellen einzubauen. Diese Nanopartikel sind aus einer sogenannten 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.

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