Stabilste Leichtbaumaterialien dank Mikroarchitektur

Die Fachwerk-Konstruktion aus Keramik-Polymer-Verbundwerkstoff ist besonders stabil, obwohl die einzelnen Elemente nur wenige hundert Nanometer stark sind / Bildquelle: J. Bauer/KIT

Die stabilsten Leichtbaumaterialien mit Mikrostruktur haben Karlsruher Forscher nun vorgestellt. Ihre Dichte ist geringer als die von Wasser und dennoch ist ihre Belastbarkeit im Verhältnis zum Gewicht höher als die von massiven Materialien wie beispielsweise Hochleistungsstahl oder Aluminium. Inspiriert sind die Leichtbaumaterialien von der Fachwerkstruktur von Knochen und der Schalenbauweise von Bienenwaben.

Jens Bauer vom Karlsruher Institut für Technologie vergleicht die neuen Leichtbaumaterialien mit dem Gerüst eines Fachwerkhauses mit waagerechten, senkrechten und diagonalen Streben, aber mit einer Balkengröße von ungefähr 10 Mikrometer. Insgesamt waren die Leichtbauteile etwa 50 Mikrometer lang, breit und hoch. Auch die Natur setzt zum Tragen von Gewichten auf offenporige, nicht-massive Strukturen, so Oliver Kraft vom Karlsruher Institut für Technologie. Bekannte Beispiele sind Holz und Knochen. Das neue Material aus dem Labor hält aber bei gleicher Dichte mehr Druckbelastung aus. Besonders stabil war eine Schalenstruktur, die sich am Aufbau von Bienenwaben orientiert. Sie gab erst bei einem Druck entsprechend 28 Kilogramm pro Quadratmillimeter nach und hatte eine Dichte von 810 Kilogramm pro Kubikmeter. Das übersteigt das Verhältnis von Belastbarkeit zu Dichte von Knochen, massivem Stahl oder Aluminium. Die hier verwendete Schalenstruktur ähnelt einer Bienenwabe, deren Wände leicht gekrümmt sind, um die Gefahr des Einknickens zu bannen.

Um die Leichtbaustrukturen herzustellen, wurde die 3D-Laserlithographie genutzt. Laserstrahlen härten die gewünschte mikrometergroße Struktur in einem Photolack aus. Anschließen wird diese durch Gasabscheidung mit einer Keramik beschichtet. Die so gewonnenen Strukturen setzten die Forscher mit einem Stempel unter Druck und testeten so ihre Stabilität.

Mikrostrukturierte Materialien dienen oft zur Dämmung oder als Stoßdämpfer. Offenporige Stoffe können als Filter in der chemischen Industrie genutzt werden.

Ihre Ergebnisse stellen die Forscher nun im Fachmagazin PNAS vor.

Orginalpublikation: High-strength cellular ceramic composites with 3D microarchitecture, Jens Bauer, Stefan Hengsbach, Iwiza Tesari, Ruth Schwaiger, and Oliver Kraft, PNAS Early Edition, DOI: 10.1073/pnas.1315147111.

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