Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Werkstoffe, die Diamanten übertreffen

02.02.2007
Feine Partikel sorgen für extreme Steifigkeit
RUB-Materialforscher berichtet in Science

Werkstoffe mit extrem hoher Steifigkeit, die schwerer verformbar sind als Diamant, konnte eine Forschergruppe um Prof. Roderic S. Lakes (University of Wisconsin-Madison) unter Bochumer Beteiligung von Dennis Kochmann (Lehrstuhl für Allgemeine Mechanik, Ruhr-Universität Bochum) herstellen. Sie betteten dafür feine Partikel mit sog. negativer Steifigkeit in Zinn ein. Während der Phasenumwandlung der Partikel, die bei einer bestimmten Temperatur eintritt, zeigte der Verbundwerkstoff eine größere Steifigkeit als Diamant. Die Wissenschaftler wiesen damit experimentell erstmals theoretische Vorhersagen nach, die seit etwa zehn Jahren postuliert werden. Über ihre Ergebnisse berichten sie in der aktuellen Ausgabe des Magazins "Science".

Negative Steifigkeit: In der Natur nicht möglich

Bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen gilt normalerweise, dass die Materialeigenschaften des neuen Werkstoffs diejenigen der Ausgangsmaterialien nicht übertreffen können. Kombiniert man z. B. zwei Werkstoffe unterschiedlicher Steifigkeit, so liegt die Steifigkeit des Verbundstoffs zwangsweise zwischen den Werten der beiden Ausgangsmaterialien. Der Diamant als steifster Werkstoff in der Natur stellte somit lange Zeit eine obere Grenze der maximal erzielbaren Steifigkeit dar. Theoretiker sagten aber schon Ende der 90er-Jahre voraus, dass ein besonders steifer Werkstoff entstehen müsste, wenn er einen Anteil eines Stoffs enthält, der sog. negative Steifigkeit aufweist. "Solche Materialien kommen in Reinform in der Natur nicht vor", erklärt Dennis Kochmann. "Man kann sich das vorstellen wie einen Ball, der einem Zusammendrücken nicht aufgrund seiner Steifigkeit eine Kraft entgegensetzt, sondern sich im Gegenteil von selbst weiter zusammenzieht."

Bariumtitanat als Lieferant der negativen Steifigkeit

Als Material mit negativer Steifigkeit wählten die Forscher Bariumtitanat (BaTiO3). Es durchläuft im Reinzustand bei ca. 120 bis 130°C eine strukturelle Phasenumwandlung: Das atomare Metallgitter verändert dann seine Struktur von kubischen zu tetragonalen Elementarzellen. Damit einher geht unter normalen Bedingungen eine Volumen- und Formänderung der Partikel. Ist ein Partikel aus Bariumtitanat jedoch während dieser Phasenumwandlung geometrisch beschränkt, z. B. fest eingeschlossen in einem anderen, nicht-umwandelnden Material, so kann diese Umwandlung dazu führen, dass das Teilchen vorübergehend negative Steifigkeit erlangt. Im aktuellen Fall wurden feine BaTiO3-Partikel (Größenordnung ca. 200 Mikrometer) in einer Matrix aus Zinn eingeschlossen - die Herstellung erfolgte sowohl pulvermetallurgisch als auch durch Gussverfahren. Durch Veränderung der Temperatur konnten die Forscher die Phasenumwandlung des Bariumtitanats im Probenkörper hervorrufen. "Sobald die Phasenumwandlung erfolgt, bewirkt die steife Zinnmatrix die geometrische Beschränkung, die eine negative Steifigkeit in den Partikeln erlaubt", so Dennis Kochmann. Laut Theorie sollte das zu einem sehr starken Anstieg der Gesamtsteifigkeit des Verbundwerkstoffes führen. Diesen Effekt konnten die Forscher jetzt eindrucksvoll experimentell bestätigen.

Extreme Steigerung der Steifigkeit möglich

Die Elastizität (der E-Modul) und die Dämpfungseigenschaft der Probenkörper wurden über einen großen Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 210°C mit Hilfe der sog. Broadband Viscoelastic Spectroscopy (BVS) gemessen. Dazu verfügt das Micromechanics Laboratory der University of Wisconsin-Madison über einen speziellen Versuchsaufbau, der die Messung der viskoelastischen Materialkennwerte an den selbst hergestellten Probenkörpern ermöglichte. "Die Ergebnisse unserer Experimente zeigen, dass während der Phasenumwandlung der BaTiO3-Partikel die Steifigkeit des Verbundwerkstoffes vorübergehend eine extreme Steigerung auf über 1000 Gigapascal und damit weit über die Werte der beteiligten Materialien hinaus erfährt", berichtet Dennis Kochmann. Zeitgleich trat eine Anomalie in der Dämpfungseigenschaft des Verbundwerkstoffes auf. Dazu reichen bereits geringe Mengen von BaTiO3 von zwischen drei und zehn Prozent am Gesamtgewicht aus, um den im Reinzustand weichen Zinn steifer zu machen als Diamant.

Hoffnung auf handhabbare Anwendung

Zwar ist der extreme Steifigkeitsanstieg in diesem Fall nur von kurzer Dauer und kompliziert über die Temperatur regelbar. "Hiermit ist aber allgemein die Möglichkeit nachgewiesen, Verbundwerkstoffe mit einer Phase negativer Steifigkeit herzustellen und dadurch die Steifigkeit extrem zu steigern", so Dennis Kochmann. Das weckt die Hoffnung, dass negative Steifigkeit in Zukunft auch mit Hilfe anderer Phasenumwandlungen realisiert werden könnte; so ließen sich z. B. im Fall von magnetisch oder elektrisch induzierbaren Umwandlungen Werkstoffe herstellen, die ihre Steifigkeit und ihre Dämpfungseigenschaft "auf Knopfdruck" um mehrere Größenordnungen zu steigern vermögen. So könnten etwa Autofahrwerke ihr Dämpfungsverhalten oder Werkzeuge ihre Belastbarkeit blitzschnell an extreme Situationen anpassen.

Diplomarbeit

Die Veröffentlichung beruht in Teilen auf den Ergebnissen der Diplomarbeit von Dennis Kochmann, die er während seines Jahres als Fulbright-Stipendiat an der University of Wisconsin-Madison angefertigt hat.

Titelaufnahme

T. Jaglinski, D. Kochmann, D. Stone, R. S. Lakes: Composite Materials with Viscoelastic Stiffness Greater than Diamond. In: Science, 2. Februar 2007, Vol 315, Issue 5812

Weitere Informationen

Dipl.-Ing. Dennis Kochmann, M.Sc., Lehrstuhl für Allgemeine Mechanik, Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel.: 0234/32-26035, Fax: 0234/32-06035, E-Mail: Dennis.Kochmann@ruhr-uni-bochum.de

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de/

Weitere Berichte zu: Diamant Partikel Phasenumwandlung Steifigkeit Verbundwerkstoff

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Dem Fettfinger zu Leibe rücken: Neuer Nanolack soll Antifingerprint-Oberflächen schaffen
15.06.2018 | Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS

nachricht Turbolader für den Lithium-Akku
08.06.2018 | Forschungszentrum Jülich

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Im Focus: First real-time test of Li-Fi utilization for the industrial Internet of Things

The BMBF-funded OWICELLS project was successfully completed with a final presentation at the BMW plant in Munich. The presentation demonstrated a Li-Fi communication with a mobile robot, while the robot carried out usual production processes (welding, moving and testing parts) in a 5x5m² production cell. The robust, optical wireless transmission is based on spatial diversity; in other words, data is sent and received simultaneously by several LEDs and several photodiodes. The system can transmit data at more than 100 Mbit/s and five milliseconds latency.

Modern production technologies in the automobile industry must become more flexible in order to fulfil individual customer requirements.

Im Focus: ALMA entdeckt Trio von Baby-Planeten rund um neugeborenen Stern

Neuartige Technik, um die jüngsten Planeten in unserer Galaxis zu finden

Zwei unabhängige Astronomenteams haben mit ALMA überzeugende Belege dafür gefunden, dass sich drei junge Planeten im Orbit um den Säuglingsstern HD 163296...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz – Schafft der Mensch seine Arbeit ab?

15.06.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Asteroidenforschung in Garching

13.06.2018 | Veranstaltungen

Meteoriteneinschläge und Spektralfarben: HITS bei Explore Science 2018

11.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

EMAG auf der AMB: Hochproduktive Lösungen für die vernetzte Automotive-Produktion

15.06.2018 | Messenachrichten

AchemAsia 2019 in Shanghai

15.06.2018 | Messenachrichten

Dem Fettfinger zu Leibe rücken: Neuer Nanolack soll Antifingerprint-Oberflächen schaffen

15.06.2018 | Materialwissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics