Nanocoating gør letvægtsmetalskum benhårdt og eksplosionssikkert

Metallisk skum udviklet af materialeforskerne Stefan Diebels og Anne Jung ved Saarland University Strong er stærke nok til brug i stødbeskyttelsessystemer i biler, og er i stand til at absorbere de stødbølger, der frembringes af en detonation. Deres super lette, ekstremt stærke metalskum kan tilpasses til en bred vifte af applikationer.

Inspirationen til det nye skumsystem kom fra knogler. Ved hjælp af en patenteret belægningsproces, Saarbrücken-teamet fremstillede meget stabile, porøst metallisk skum, der kan bruges, for eksempel, i letvægtsbyggeprojekter. Det indledende gittersubstrat er enten et aluminium- eller polymerskum, ikke ulig en køkkensvamp. Forskerholdet og den nystartede virksomhed, som deres arbejde har affødt (Mac Panther Materials GmbH, Bremen, Tyskland) vil være på Hannover Messe, hvor de vil fremvise deres proces fra den 1. til den 5. april på Saarland Research and Innovation Stand (Hal 2, Stand B46).

Knogler er en af ​​naturens mange geniale udviklinger. De er stærke og stabile og kan klare belastninger næsten lige så godt som stål. Men trods deres styrke, knogler er utroligt lette. Hemmeligheden ligger i kombinationen af ​​en hård ydre skal, der omslutter en porøs, gitterlignende netværk af knoglevæv i knoglens indre. Denne struktur sparer materiale og reducerer vægten. Metalskum efterligner disse naturligt forekommende knoglestrukturer.

Syntetisk skum er porøst, strukturer med åbne celler, der er fremstillet af metaller, og som ser ud som en svamp. De metalskum, der i øjeblikket er tilgængelige, er passende lette, men produktionsprocessen er kompliceret og dyr. Stabiliteten af ​​eksisterende svampelignende skumstrukturer er stadig for svag og ikke elastisk nok til mange anvendelser. Dette gælder for aluminiumskum, som er den mest almindelige type produceret i dag. "Dette er grunden til, at metalskum hidtil ikke har haft nogen reel markedspåvirkning, " forklarer materialeforsker Stefan Diebels, professor i anvendt mekanik ved Saarlands Universitet.

Hans forskerhold har fundet en måde at styrke metalskummets gitterstruktur markant, producerer en letvægter, ekstremt stabilt og alsidigt materiale. Diebels og materialeforsker Dr. Anne Jung har udviklet en patenteret procedure til belægning af de individuelle stivere, der udgør det indvendige gitter med åbne celler. Som resultat, det ydre af skummet er stærkere og mere stabilt, og strukturen er nu i stand til at modstå ekstreme belastninger. Imidlertid, det behandlede skum forbliver forbløffende let.

Holdet startede med at bruge aluminiumsskum, men bruger nu billige polyurethanskum, hvis styrke udelukkende kommer fra den tynde metalbelægning påført gitterstrukturen. "De resulterende metalskum har en lav densitet, et stort overfladeareal, men et lille volumen. I forhold til deres vægt, disse skum er ekstremt stærke og stive, " siger Stefan Diebels. Faktisk, de er så stærke, at de bliver brugt som mobile barrierer til at yde beskyttelse mod chokbølger forårsaget af eksplosioner. Selv når de udsættes for undervandsdetonationer, skummet 'sluger' simpelthen de resulterende lyd- og trykbølger, dermed beskytter følsomme marine organismer mod virkningerne af disse kraftige chokbølger.

"De fleste af de applikationer, vi fokuserer på, er generelt mindre spektakulære, såsom brugen af ​​vores skum i letvægtskonstruktioner, " forklarer Dr. Anne Jung, seniorforsker i Diebels' gruppe.

Mange produkter kan gøres lettere og mere stabile ved at hente inspiration fra naturens designopfindsomhed. For eksempel, bærende strukturer i biler og fly kunne fremstilles af metalskummet. "De kan monteres som forstærkende stivere i karrosseriet, samtidig med at den giver beskyttelse mod stød. Støberne kan optage store mængder energi og er i stand til at absorbere kraften fra en kollision, når dele af den porøse kerne brud under påvirkning, " forklarer Anne Jung.

Der er adskillige anvendelsesområder for disse skum, såsom i katalyse, da materialet er porøst og dermed tillader væsker og gasser at strømme igennem det, eller til stødabsorbering eller som varmeskjold, da skummet udviser fremragende varmebestandighed. Skummaterialet kan også bruges til elektromagnetisk afskærmning eller i arkitektoniske applikationer, hvor den finder anvendelse som lyddæmpende beklædning eller som bygningsdesignelement.

Belægningen påføres i et elektropletteringsbad. Det mest udfordrende aspekt af galvaniseringsprocessen var at opnå en ensartet belægning af det ultratynde lag gennem hele det indre af skumstrukturen. "Problemet, " forklarer Anne Jung, "er, at det metalliske skum fungerer som et Faraday-bur." Da det indre af skummet er omgivet af elektrisk ledende materiale, elektrisk strøm og dermed belægningen omdirigeres til det ydre af skumlegemet og bevæger sig ikke gennem det indre af skummet - det svarer til, hvad der sker, når lynet rammer en bil. Gennembruddet kom, da Anne Jung besluttede at bruge et specielt anodebur, som giver hende mulighed for at anvende en uniform, nanokrystallinsk belægning gennem hele gitternettet. "Den patenterede metode fungerer også i industriel skala med skum med meget store overfladearealer, " tilføjer Jung.

Saarbrücken-teamet har forfattet adskillige vigtige videnskabelige artikler på området, og betragtes nu som en af ​​verdens førende forskningsgrupper inden for mikromekanisk karakterisering af disse porøse metalgitre. Ved hjælp af en række eksperimenter, simuleringer, spændings- og kompressionstest, optisk mikroskopi og røntgencomputertomografi, forskerholdet har undersøgt strukturen, poregeometri og krumning af stiverne og har vist, hvor varierende tykkelse af nanocoatingen kan give forskellige egenskaber til skummaterialerne. Ved at variere belægningens sammensætning, dens tykkelse eller porestørrelse, teamet er i stand til at tilpasse skum til at opfylde forskellige anvendelsesbehov. For eksempel, nanocoating af den åbne celle gitterstruktur med nikkel giver særligt stærke skum, med kobber udviser skummaterialet høj varmeledningsevne, med sølv har de gode antibakterielle egenskaber, og med guld er skummet yderst dekorativt. Saarbrücken-forskningsgruppen, som omfatter studerende og ph.d.-forskere, arbejder fortsat på at optimere både produktionsprocessen og selve materialet.

For at lette den kommercielle og industrielle anvendelse af deres forskningsresultater, Saarbrücken-forskerne har indgået et teknologioverførselspilotprojekt sammen med Saarland University's Knowledge and Technology Transfer Office (KWT) og de eksterne start-up partnere Dr. Andreas Kleine og Michael Kleine, og har etableret virksomheden Mac Panther Materials GmbH med hovedkontor i Bremen. Både Dr. Jung og professor Diebels har en andel i den nye virksomhed, ligesom Saarlands Universitets viden- og teknologioverførselsvirksomhed WuT.