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Wissensbasiertes Nanokompositdesign dient der Langlebigkeit

Wissenschaftler haben Komposite mit nanoskaligen Strukturen experimentell wie auch theoretisch erforscht. Die Ergebnisse weisen auf optimale Formulierungen bezüglich einer gesteigerten Festigkeit hin.
Wissensbasiertes Nanokompositdesign dient der Langlebigkeit
Nanomaterialien haben im Gegensatz zu der entsprechenden Makroform einzigartige Eigenschaften zu bieten, die weitgehend auf deren sehr hohes Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen zurückzuführen sind. Bei Nanokompositen aus zwei oder mehr verschiedenen Materialien können diese besseren Eigenschaften durch die Kombination der einzelnen Merkmale und ihrer Wechselwirkungen noch stärker ausgeprägt sein. Sie sind als Bausteine neuartiger Elemente in nahezu jedem vorstellbaren Bereich zum Gegenstand intensiver Forschung und Entwicklung geworden.

Langlebigkeit und Festigkeit zu verbessern, ist bei Materialien, die unter extremen Umweltbedingungen, große Spannungen oder in sich wiederholenden Belastungszyklen eingesetzt werden, von ganz besonderem Interesse. Die Bildung und Ausbreitung von Rissen kann durch die sorgfältige Beeinflussung der Mikro- und Nanostruktur verhindert werden. Das Einbetten eines Festphasenmaterials in eine weiche Matrix ergibt eine bessere Schutzwirkung, aber über das Verhalten des Materials unter Belastung weiß man noch nicht genug.

Die an dem von der EU geförderten Projekt MAN arbeitenden Forscher nahmen ein einfaches System aus in eine amorphe Kohlenstoffmatrix (a-C) eingebetteten Titankarbid-Nanokristallen (TiC) her, um die Einzelheiten dieses Verhaltens mit Hilfe einer Kombination von experimentellen und theoretischen Untersuchungen zu durchleuchten. Molekulardynamische Simulationen der Verformung gaben Aufschluss über die Verhaltensweisen, die mit Rissbildung und -ausbreitung in Reaktion auf Belastungen verbunden sind. Berücksichtigt wurden die Richtungsabhängigkeit in Bezug auf die Spannungsrichtung sowie die Rissorientierung im Verhältnis zu den Grenzen der Materialien.

Insgesamt konnten die Projektwissenschaftler nachweisen, dass die Rissausbreitung in der a-C-Phase, die spröder als die TiC-Phase ist, durch das Vorhandensein von TiC behindert wird. Die Fortführung der Arbeit wird in einer Beschreibung des optimalen Phasenverhältnisses und der besten Kornform für höchste Bruchzähigkeit bei Nanokompositen resultieren.

Die MAN-Ergebnisse sind in den meisten Bereichen anwendbar, in denen die Langlebigkeit eine Rolle spielt. Dazu zählen widrige Umgebungsbedingungen, unter denen Materialien hohen Belastungen ausgesetzt sind, oder stetig wiederkehrende Belastungszyklen.

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