Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

„Gummimetalle“ ebnen den Weg für neue Anwendungen

01.02.2017

Max-Planck Wissenschaftler entdecken Besonderheit in Kristallstruktur von Titanlegierung

Ein Metall das sich Kaugummi-artig verbiegen lässt und somit den Weg für neue industrielle Anwendungen zum Beispiel in der Luftfahrt eröffnet. Solche „Gummimetalle“ existieren, doch war der Mechanismus hinter diesem einzigartigen Verhalten bisher ungeklärt.


Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der verschiedenen Phasen in der untersuchten "gummiartigen" Titanlegierung.

Jian Zhang, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH


Schematische Darstellung der Titanlegierung. Zu sehen ist die Kristallstruktur der verschiedenen Phasen während der Wärmebehandlung.

Jian Zhang, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) in Düsseldorf haben einen neuen Phasenübergang in einer Titanlegierung beobachtet, der genau dieses Verhalten erklären könnte. Dabei ist eine Phase eine Kristallstruktur, in der die Atome in einem Metall angeordnet sind.

Die Materialwissenschaftler vom MPIE untersuchten mittels Röntgenlicht die innere Struktur einer speziellen Materialkombination aus Titan, Niob, Tantal und Zirconium. Diese Titanlegierung zeigt bei mechanischen Belastungen ein interessantes Verhalten: „Bei Verformung wird sie nicht, wie sonst bei Metallen üblich, härter oder bricht, sondern verbiegt sich fast schon honigartig. Wissenschaftlich ausgedrückt hat sie eine sehr niedrige elastische Steifigkeit und eine hohe plastische Formbarkeit“, erklärt Dierk Raabe, Direktor am MPIE.

Das macht die Legierung attraktiv für verschiedene industrielle Anwendungen. In der Luftfahrt beispielsweise kann sie als eine Art Crashabsorber verwendet werden. „Wenn eine Flugzeugturbine durch Hagel- oder Vogelschlag beschädigt wird, besteht die Gefahr, dass einzelne Bauteile zersplittern und in der Folge auch den Flugzeugrumpf beschädigen könnten. Wenn Teile der Schutzhülle einer Turbine beispielsweise aus einem solchen ,gum metal‘ bestehen würden, könnten sie umherfliegende Splitter abfangen, da sie durch die Belastung nicht zerstört werden, sondern sich nur verformen“, sagt Raabe

Die Forscher haben mit verschiedenen Untersuchungsmethoden wie Röntgenstrahlung, Transmissionselektronenmikroskopie und Atomsondentomographie die Besonderheiten in der Nanostruktur zeigen können. Titanlegierungen kommen normalerweise in zwei verschiedenen Phasen vor. Bei Raumtemperatur sind die Atome meist in der sogenannten Alpha-Phase angeordnet, bei hohen Temperaturen in der Beta-Phase. Je nach Phase zeigen die Metalle unterschiedliche Eigenschaften. Die Gummimetalle bestehen vor allem aus der Beta-Phase, die in diesen Legierungen auch bei Raumtemperatur stabil ist.

Mittels Röntgenstrahlung im Teilchenbeschleuniger DESY konnten die Wissenschaftler die Kristallstruktur der Legierung während des Übergangs genau untersuchen. „Wenn man eine Probe mit Röntgenstrahlung beschießt, wird die Strahlung durch das Kristallgitter abgelenkt. Dadurch ergibt sich ein bestimmtes Muster, ein sogenanntes Diffraktogramm, aus dem wir dann ableiten können, wie die Atome positioniert sind, also welche Kristallstruktur sie einnehmen“, erklärt DESY-Forscherin Ann-Christin Dippel, die die Untersuchungen mit Röntgenstrahlung an der DESY-Messstation betreut hat.

Die Forscher des MPIE haben so einen neuen Mechanismus beim Phasenübergang entdeckt. Das Team um den Ingenieur Jian Zhang vom MPIE hat eine neue Struktur beobachtet, die bei der Transformation von Beta- zu Alpha-Phase entsteht: die Omega-Phase. Wenn die Beta-Phase von einer hohen Temperatur schnell abgekühlt wird, ändert ein Teil der Atome die Position und geht in die energetisch günstigere Alpha-Phase über. Durch die Bewegung der Atome entsteht eine mechanische Spannung an der Phasengrenze, die verschiedenen Phasen zerren sozusagen aneinander. Wenn diese Spannung einen kritischen Wert übersteigt, entsteht eine neue Anordnung, genannt Omega-Phase.

„Diese neu entdeckte Struktur entsteht nur durch die Scherspannung, die beim Phasenübergang aufgebaut wird, und erleichtert die Umwandlung von Alpha- zu Beta-Phase. Sie kann nur zwischen zwei anderen Phasen bestehen, da sie durch diese stabilisiert wird“, berichtet Raabe. Wenn die Spannung durch die neue Schicht wieder unter den kritischen Wert fällt, entsteht aufs Neue eine Schicht Alpha-Phase, an die sich dann wieder eine Omega-Phase anschließt.

So entsteht eine Mikrostruktur aus vielen, zum Teil atomar schmalen Schichten mit jeweils anderer Struktur. Der Übergang findet auch bei statischen Belastungen statt und ist vollständig umkehrbar. Die Forscher hoffen jetzt, dass die neu entdeckte Struktur dabei helfen könnte, die Eigenschaften des Werkstoffs noch genauer zu verstehen und später neue, verbesserte Varianten der Titanlegierung zu entwickeln.

Das Team um Hauptautor Jian Zhang vom MPIE stellt seine Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ vor. An der Arbeit waren auch die Xi'an-Jiaotong-Universität in China sowie das Massachusetts Institute of Technology in den USA beteiligt.

Originalpublikation:
J. Zhang, C.C. Tasan, M.J. Lai, A-C. Dippel, D. Raabe: Complexion-mediated martensitic phase transformation in Titanium. Nature Communications, 8, 2017; DOI: 10.1038/ncomms14210

Weitere Informationen:

http://www.mpie.de

Yasmin Ahmed Salem | Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Gründerteam „Evolime“ erreicht Meilenstein: Speichenräder automatisch und flexibel aus Verbundwerkstoffen herstellen
13.07.2020 | Technische Universität Kaiserslautern

nachricht TFK entwickelt Herstellungsverfahren für großflächige Metalldrahtnetze zum Einsatz in der Raumfahrt
09.07.2020 | Hochschule Hof - University of Applied Sciences

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Kryoelektronenmikroskopie: Hochauflösende Bilder mit günstiger Technik

Mit einem Standard-Kryoelektronenmikroskop erzielen Biochemiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) erstaunlich gute Aufnahmen, die mit denen weit teurerer Geräte mithalten können. Es ist ihnen gelungen, die Struktur eines Eisenspeicherproteins fast bis auf Atomebene aufzuklären. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift "PLOS One" veröffentlicht.

Kryoelektronenmikroskopie hat in den vergangenen Jahren entscheidend an Bedeutung gewonnen, besonders um die Struktur von Proteinen aufzuklären. Die Entwickler...

Im Focus: Electron cryo-microscopy: Using inexpensive technology to produce high-resolution images

Biochemists at Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) have used a standard electron cryo-microscope to achieve surprisingly good images that are on par with those taken by far more sophisticated equipment. They have succeeded in determining the structure of ferritin almost at the atomic level. Their results were published in the journal "PLOS ONE".

Electron cryo-microscopy has become increasingly important in recent years, especially in shedding light on protein structures. The developers of the new...

Im Focus: Neue Schlankheitstipps für Computerchips

Lange Zeit hat man in der Elektronik etwas Wichtiges vernachlässigt: Wenn man elektronische Bauteile immer kleiner machen will, braucht man dafür auch die passenden Isolator-Materialien.

Immer kleiner und immer kompakter – das ist die Richtung, in die sich Computerchips getrieben von der Industrie entwickeln. Daher gelten sogenannte...

Im Focus: Elektrische Spannung aus Elektronenspin – Batterie der Zukunft?

Forschern der Technischen Universität Ilmenau ist es gelungen, sich den Eigendrehimpuls von Elektronen – den sogenannten Elektronenspin, kurz: Spin – zunutze zu machen, um elektrische Spannung zu erzeugen. Noch sind die gemessenen Spannungen winzig klein, doch hoffen die Wissenschaftler, auf der Basis ihrer Arbeiten hochleistungsfähige Batterien der Zukunft möglich zu machen. Die Forschungsarbeiten des Teams um Prof. Christian Cierpka und Prof. Jörg Schumacher vom Institut für Thermo- und Fluiddynamik wurden soeben im renommierten Journal Physical Review Applied veröffentlicht.

Laptop- und Handyspeicher der neuesten Generation nutzen Erkenntnisse eines der jüngsten Forschungsgebiete der Nanoelektronik: der Spintronik. Die heutige...

Im Focus: Neue Erkenntnisse über Flüssigkeiten, die ohne Widerstand fließen

Verlustfreie Stromleitung bei Raumtemperatur? Ein Material, das diese Eigenschaft aufweist, also bei Raumtemperatur supraleitend ist, könnte die Energieversorgung revolutionieren. Wissenschaftlern vom Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“ an der Universität Hamburg ist es nun erstmals gelungen, starke Hinweise auf Suprafluidität in einer zweidimensionalen Gaswolke zu beobachten. Sie berichten im renommierten Magazin „Science“ über ihre Experimente, in denen zentrale Aspekte der Supraleitung in einem Modellsystem untersucht werden können.

Es gibt Dinge, die eigentlich nicht passieren sollten. So kann z. B. Wasser nicht durch die Glaswand von einem Glas in ein anderes fließen. Erstaunlicherweise...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Intensiv- und Notfallmedizin: „Virtueller DIVI-Kongress ist ein Novum für 6.000 Teilnehmer“

08.07.2020 | Veranstaltungen

Größte nationale Tagung für Nuklearmedizin

07.07.2020 | Veranstaltungen

Corona-Apps gegen COVID-19: Nationalakademie Leopoldina veranstaltet internationales virtuelles Podiumsgespräch

07.07.2020 | Veranstaltungen

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

Konzept für neue Technik zur Untersuchung superschwerer Elemente vorgestellt

13.07.2020 | Biowissenschaften Chemie

Alternativmethoden für Tierversuche: VISION – Ein mikrofluidisches Chipsystem als Alternative zu Tierversuchen

13.07.2020 | Biowissenschaften Chemie

Neue Molekülbibliothek hilft bei der systematischen Suche nach Wirkstoffen

13.07.2020 | Biowissenschaften Chemie

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