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Werkstoffe Hybrid-Metallschaum für Leichtbau und Aufprallschutz

| Redakteur: Jan Vollmuth

Eine Materialforscherin der Universität des Saarlandes hat Alu-Metallschäume mit einer Nanobeschichtung aus Nickel verstärkt, so dass sie wesentlich höhere Belastungen aushalten und einen zehnmal stärkeren Aufprall abfedern können. Die Wissenschaftlerin erhielt dafür den Deutschen Studienpreis.

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Metallschäume werden im Auto für den Leichtbau und Aufprallschutz verwendet.
Metallschäume werden im Auto für den Leichtbau und Aufprallschutz verwendet.
(Bild: bellhäuser - das bilderwerk)

Die Strukturen von menschlichen Knochen sind das Vorbild für Metallschäume, die leicht, aber dennoch stabil sind. Sie werden heute in Prototypen von Autos für sparsame Konstruktionen genutzt und auch, um Autofahrer vor einem Aufprall zu schützen. Bisherige Alu-Metallschäume sind jedoch für viele Anwendungen zu weich und instabil. Anne Jung, Materialforscherin der Universität des Saarlandes, hat sie daher mit einer Nanobeschichtung aus Nickel verstärkt. Jetzt halten sie wesentlich höhere Belastungen aus und können einen zehnmal stärkeren Aufprall abfedern. Das zum Patent angemeldete Verfahren eröffnet viele neue Anwendungsfelder. Für ihre Doktorarbeit ergielt Anne Jung nun den Deutschen Studienpreis.

Metallschaum für tragende Elemente in Autos und Flugzeugen

Der neue Hybridschaum besteht aus einem schwammartigen Aluminiumgerüst, das hauchdünn mit Nickel beschichtet wurde. „Dieser Metallschaum kann für tragende Elemente in Autos und Flugzeugen verwendet werden, da er äußerst stabil und sehr leicht ist. Durch das in sich verformbare Grundgerüst schützt er aber auch vor starkem Aufprall, etwa im Auto oder bei Sprengungen, wenn Metallsplitter herumfliegen“, sagt Anne Jung. Sie kann sich auch Anwendungen in der Architektur vorstellen, etwa für schalldämmende Deckenverkleidungen oder für die elektromagnetische Abschirmung. „Bisher wurden Metallschäume noch nicht breit eingesetzt, weil sie teurer als vergleichbare Materialien sind und oft nicht die gewünschte Stabilität aufweisen. Der Hybridschaum eröffnet hier viele neue Möglichkeiten“, erklärt Anne Jung.

Bei der Entwicklung des Hybridschaums hatte die Materialforscherin einige Hürden zu nehmen. Erste Versuche zeigten, dass die feinen, wabenähnlichen Verbindungen im Aluminiumschaum durch eine hauchdünne Nickel-Beschichtung wesentlich stabiler wurden. Das Problem war jedoch, die Nanobeschichtung in den tief verzweigten Strukturen des Aluminiumschaums gleichmäßig aufzutragen. „Nickel wird durch ein galvanisches Bad auf das Aluminium aufgebracht. Der Metallschaum wirkt aber selbst wie ein Faraday‘scher Käfig, so dass der Strom nicht durch das Innere des netzartigen Gebildes fließen kann“, erklärt Anne Jung.

Die Materialforscherin entwickelte daher einen speziellen Anoden-Käfig, in dem man den Metallschaum in der Größe einer Wandfliese gleichmäßig bis tief ins Innere mit der Nickelschicht überziehen kann. „Dieses zum Patent angemeldete Verfahren lässt sich auch auf großflächigere Metallschäume übertragen und könnte daher auch im industriellen Maßstab eingesetzt werden“, sagt Anne Jung. Im Labor konnte sie fünf Zentimeter dicke, offenporige Metallschäume zu 80 Prozent gleichmäßig nanokristallin beschichten. Dieses Ergebnis ist achtmal besser als der Stand der Technik, obwohl dabei sogar ein vierfach dickerer Schaum verwendet wurde als in bisherigen Versuchen.

Verschieden dicke Nanobeschichtungen für unterschiedliche Eigenschaften

Für ihre Doktorarbeit untersuchte die Forscherin den Hybridschaum mit den vielfältigen Analysemethoden der Werkstoffwissenschaften wie etwa Druckversuchen, der Lichtmikroskopie und Röntgencomputertomographie. Dabei konnte sie zeigen, wie man durch verschieden dicke Nanobeschichtungen dem Metallschaum unterschiedlich Materialeigenschaften zuweisen kann.

Auch die ungleichmäßige Beschichtung, die Anne Jung mit abgewandelten Methoden aus der Supraleiterforschung visualisierte, kann Vorteile haben. „Manchmal reicht es wie bei einem Bambusstab aus, nur die äußere Hülle des Schaums zu stabilisieren. Die inneren Hohlräume brechen dann auch bei hoher Belastung nicht ein. Sie können aber auch mit anderen Materialien, etwa mit Polymerschäumen, gefüllt werden“, erläutert die Materialwissenschaftlerin.

Die Natur zum Vorbild genommen

Sie hatte bei ihrer Forschungsarbeit die Natur vor Augen, die auf raffinierte Weise hohe Lasten stabilisiert. „Ein Dinosaurierknochen besteht aus einer schwammartigen Substanz, die zugleich stabil und elastisch ist, so dass sie das tonnenschwere Gewicht des Tieres aushalten konnte. Auch ein Mammutbaum weist ähnliche Strukturen auf, die verhindern, dass der über hundert Meter hohe Klotz nicht im Sturm umknickt“, nennt die Materialforscherin als Beispiel. Nach diesem Vorbild aus der Natur könne auch die Industrie viele Produkte noch leichter und elastischer gestalten. Wie der Hybrid-Metallschaum zeige, gelinge dies sogar, wenn harte, metallische Werkstoffe die Ausgangsbasis sind.

Hintergrund: Deutscher Studienpreis für Anne Jung

Für ihre Doktorarbeit in der Materialwissenschaft erhielt Anne Jung den mit 30.000 Euro dotierten Deutschen Studienpreis. Mit diesem Preis zeichnet die Körber-Stiftung unter der Schirmherrschaft von Bundestagspräsident Norbert Lammert die wichtigsten Dissertationen des Jahres aus, die besondere gesellschaftliche Bedeutung haben. In diesem Jahr hatten sich 417 Forscherinnen und Forscher um den Preis beworben, in der Endrunde konnten 31 junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ihre Forschungsarbeiten einer Jury persönlich präsentieren.

Anne Jung, die an der Universität des Saarlandes Chemie studiert und dort promoviert hat, gewann mit ihrer zweiten, materialwissenschaftlichen Doktorarbeit den Hauptpreis im Bereich „Natur- und Technikwissenschaften“. Der Deutsche Studienpreis 2013 wird am 25. November von Bundestagspräsident Norbert Lammert in Berlin verliehen. (jv)

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