Schadentolerante, von der Kristallmikrostruktur inspirierte Materialien – Metakristalle

In Zusammenarbeit mit Kollegen vom Imperial College London hat Professor Iain Todd von der Fakultät für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik der University of Sheffield einen neuen Ansatz bei der Entwicklung von Konstruktionskomponenten entwickelt, die mit additiver Fertigung hergestellt werden.

Additive Manufacturing (AM), auch 3D-Druck genannt, wird häufig zur Herstellung von technischen Komponenten verwendet. Durch die Verwendung von Gitterstrukturen (wie die unten gezeigte) zum Ersetzen fester Materialien sind diese Komponenten viel leichter als ihre festen Gegenstücke und können so konstruiert werden, dass sie auch Eigenschaftskombinationen aufweisen, die für herkömmliche Feststoffe unzugänglich sind. Diese Strukturen werden als Architekturmaterialien bezeichnet.

Diese Gitterstrukturen haben typischerweise ein einheitliches Layout mit Knoten, die alle einem regulären Array entsprechen, wobei die Streben zwischen den Knoten alle die folgenden gemeinsamen Ebenen aufweisen: und hier liegt das Problem.

Die im Nature Magazine am 17. Januar 2019 ausführlich beschriebene Arbeit erläutert, wie diese gleichförmigen Gitter die Struktur eines metallischen Einkristalls nachbilden: Die Knoten im AM-Gitter sind den Atomen im Einkristall und die Streben den Atombindungen gleich . In jeder dieser Strukturen sind die Atomebenen oder Knoten perfekt ausgerichtet.

Während bei einigen Anwendungen, wie dem Hochtemperaturende eines Düsentriebwerks, Einkristallmaterialien aufgrund ihrer Fähigkeit, Deformationen bei extremen Temperaturen zu widerstehen, ideal sind, weisen sie Einschränkungen hinsichtlich ihrer mechanischen Leistung auf. Diese Einschränkung wird auch bei AM-Teilen mit einer gleichmäßigen Gitterstruktur beobachtet.

Wenn die Struktur zusammengedrückt wird, sobald die Kraft ausreicht, um eine bleibende Verformung zu verursachen, wird das Gitter entlang einer oder mehrerer der Knotenebenen geschert. Da nichts gegen diese Scherung steht, wird der Zusammenbruch katastrophal.

In polykristallinen Materialien – den mit vielen Kristallen – ist die Ausrichtung der Atomebenen zufällig. Wenn sich also eine Scherkraft in eine bestimmte Richtung erstreckt, verlangsamt sich ein Bruch, wenn er auf einen Kristall trifft, in dem die Atome anders angeordnet sind als der Kristall in dem der Riss ausgelöst wurde. Darüber hinaus ist es möglich, unterschiedliche Materialien in Form von Phasen, Ausfällungen oder Einschlüssen einzuführen, die zur Verstärkung der Materialien verwendet werden. Diese Materialien helfen auch, die Ausbreitung von Rissen zu verhindern.

Es ist dieses grundlegende metallurgische Verständnis, das Wissenschaftler am Imperial College London und der University of Sheffield dazu inspirierte, polykristalline Mikrostrukturen in AM-Gittern nachzuahmen, um robuste, schadentolerante Materialien zu entwickeln.

Durch die Computermodellierung atomarer Strukturen, deren Skalierung und Erstellung von Mesostrukturen auf der Basis von polykristallinen Materialien verändern Ingenieure die Art und Weise, in der Materialien entworfen werden, für die der Name “Metakristalle” geprägt wurde.

Experimentelle Tests von Komponenten, die aus diesen Metakristallen hergestellt wurden, haben gezeigt, dass sie sehr energieabsorbierend sind. Das polykristallähnliche Material kann fast sieben Mal die Energie vor dem Ausfall aushalten als die Materialien, die die Einkristallstruktur nachahmen.

Während die metallurgischen Grundkonzepte zur Entwicklung von Architekturmaterialien genutzt werden, verwenden Forscher die Erstellung von Architekturmaterialien als alternativen Ansatz, um komplexe metallurgische Phänomene zu untersuchen.

Prof. Iain Todd von der University of Sheffield: „Diese Herangehensweise an die Werkstoffentwicklung hat möglicherweise weitreichende Auswirkungen auf den Bereich der additiven Fertigung. Durch die Verschmelzung von physikalischer Metallurgie mit Architekturwerkstoffen wird es Ingenieuren ermöglicht, schadentolerante Architekturmaterialien mit der gewünschten Festigkeit und Zähigkeit herzustellen und gleichzeitig die Leistung von Architekturwerkstoffen bei äußeren Belastungen zu verbessern.”

“Und obwohl diese Materialien als eigenständige Strukturen verwendet werden können, können sie auch mit anderen Materialien infiltriert werden, um Verbundwerkstoffe für eine Vielzahl von Anwendungen herzustellen.”

Dr. Minh-Son Pham vom Imperial College London: „Dieser Metakristallansatz könnte mit den jüngsten Fortschritten im Multimaterial-3D-Druck kombiniert werden, um mit dem. Eine neue Forschungslinie bei der Entwicklung neuer fortschrittlicher Materialien zu eröffnen, die leicht und mechanisch robust sind Potenzial für zukünftige kohlenstoffarme Technologien.”