Prüfung fortschrittlicher metallischer Werkstoffe auf Herz und Nieren
In festem Zustand bestehen Metalle aus einem höchst geordneten kristallinen atomaren Zustand. Werden Metalllegierungen jedoch durch den Prozess des „Abschreckens“ extrem schnell abgekühlt, entsteht metallisches Glas mit ungeordneter atomarer Struktur. Diese Materialien können speziell geformt und effizient gegossen werden, mit weniger Schrumpfung, etwa für kundenspezifische Anwendungen. Eine Einschränkung bei metallischem Glas ist jedoch, dass zur Vermeidung von Kristallisation durch die erforderliche Abschreckgeschwindigkeit die erreichbaren Probengrößen begrenzt sind. Das EU-finanzierte Projekt VITRIMETTECH bildete eine Gruppe junger europäischer Forscher in innovativen Methoden für die Arbeit mit metallischen Gläsern aus, insbesondere in großen Mengen für funktionelle, biomechanische, chemische und strukturelle Mikroteileanwendungen. Dem Projekt ist es gelungen, Materialien an den beiden Abschreckungsextremen zu synthetisieren: Hochdruckguss für zentimetergroße, komplex geformte Objekte aus einer magnetischen Legierung sowie dünne Schichten und glasartige Nanokörner, die durch einen wenige hundert Nanometer dicken, glasartigen „Klebstoff“ verbunden sind. Beispiele von Nanometer bis Zentimeter Metallische Gläser werden entsprechend ihrer spezifischen Zusammensetzung eingesetzt. So werden beispielsweise solche auf Eisen- und Kobaltbasis in elektromagnetischen Geräten verwendet, während solche auf Titanbasis als Beschichtungen für Körperimplantate geeignet sind. Metallische Gläser sind bekanntlich von Natur aus spröde, d. h. sie können bei starker Beanspruchung und Temperatur brechen, was zu sogenannten Scherfugen führt. VITRIMETTECH untersuchte den Ursprung und die Dynamik dieser Materialien und stellte fest, dass ihre Gleitgeschwindigkeit verringert und das Glas durch mechanische Behandlungen, die die Glasmikrostruktur beeinflussen, wie z. B. Hochdrucktorsion oder Kugelstrahlen, verjüngt werden könnte (Formgebung von Metall durch Beschuss mit Metallschrot). Hauptziel des Projektes war es, die mechanischen Eigenschaften von metallischen Glaswerkstoffen besser zu verstehen und die Verfügbarkeit von Werkstoffen in Bereichen zu verbessern, in denen sie bereits in der Produktion sind (z. B. magnetische Vorrichtungen). Auch im Bereich der Chemie (z. B. Katalyse und Spektroskopie) und der Elektrotechnik (z. B. Motorkomponenten) sollen neue Felder erschlossen werden. Der industrielle Partner des Projekts – ein Hersteller von Druckgussapparaten – ist nun in der Lage, Maschinen zu entwickeln, die magnetische Metallgläser in komplexen Formen herstellen können. Außerdem ist den Forschern die Anfertigung eines laminierten Transformatorkerns für einen patentierten Induktionsmotor gelungen. Sie haben auch die Legierungsformulierung für amorphe und nanokristalline Weichmagnete für elektromagnetische Anlagen verbessert, die bessere magnetische Eigenschaften im Hinblick auf Grundmaterialien zeigen. Metallische Gläser wurden außerdem für die Entwicklung von nanoporösem Gold und Silber für den Einsatz in Methanol-Brennstoffzellen mit elektrochemischer Oxidation bzw. alkalischen Brennstoffzellen verwendet. Projektkoordinator Prof. Livio Battezzati fasst zusammen: „Wir haben Spitzenforschung an metallischen Gläsern in allen möglichen Größen von Großteilen bis Dünnschicht durchgeführt und eine Gruppe junger Forscher ausgebildet, damit diese unsere Ergebnisse in Industrieunternehmen einbringen und so ihr Innovationspotenzial erweitern können.“ Von steigendem Wert für die europäische Wirtschaft Die Erforschung moderner metallischer Werkstoffe wird in den kommenden Jahrzehnten hinsichtlich ihres strategischen und technischen Wertes für die europäische Fertigungsindustrie zunehmen. Verbesserungen könnten dazu führen, dass weniger Metalle auf intelligentere Weise und mit besseren Recyclingmöglichkeiten verwendet werden. Prof. Battezzati erklärt: „Obwohl metallische Gläser das Leben von Millionen von Menschen nicht direkt verändern werden, werden sie sich auf die industrielle Anwendbarkeit von Materialien zur Herstellung verbesserter Produkte und neuer Geräte auswirken. Außerdem werden die Projektergebnisse die europäische Forschung in diesem Bereich weltweit an vorderster Front halten.“ Das Forschungsteam arbeitet nun daran, chemische Sensoren und elektromagnetische Vorrichtungen mit den im Rahmen des Projekts entwickelten Materialien zu bauen. Darüber hinaus gibt es eine Reihe von Forschungsansätzen, die von den Projektpartnern verfolgt werden: weitere Untersuchungen zur Zugfestigkeit von metallischen Gläsern (Duktilisierung), ein besseres Verständnis der Dynamik von Atomen in ihrem glasartigen Zustand und des Mechanismus der lokalen Korrosion sowie Verbesserungen der magnetischen Eigenschaften.
Schlüsselbegriffe
VITRIMETTECH, Metalle, metallisches Glas, Legierung, moderne Werkstoffe, elektromagnetische, Scherfugen, Katalyse, Spektroskopie, Motoren, Korrosion
