Wie gestaltet man selbstheilende Materialien?

Selbstheilendes Metall
Selbstheilendes Metall (Quelle: MIT)

Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben durch Zufall ein besonderes Phänomen festgestellt. Als sie eine Spannung auf ein durch Mikrorisse durchzogenes Stück Metall aufbrachten, geschah nicht, was sie erwarteten – dass das Metall riss – sondern es begann sich selbst zu heilen. Diese Erkenntnis haben Guoqiang Xu und der Professor für Werkstoffwissenschaften Michael Demkowicz im Journal Physical Review veröffentlicht.

Demnach könnten intelligente selbstheilende Materialien entwickelt werden, die Risse in ihrer Struktur eigenständig heilen, bevor es zu Materialversagen oder Ermüdungsbrüchen kommt.

Doch wie müssen die Strukturen dieser Materialen gestaltet werden, damit dieses Phänomen gewährleistet ist?

Wie gestaltet man eine Mikrostruktur, die sich selbst heilen kann?

Die Forscher waren sich zuerst nicht sicher, ob sie einen Fehler gemacht hatten. Deshalb wiederholten sie den Versuch ein weiteres Mal. Sie kamen jedoch zum selben Ergebnis. Also wollten sie wissen, wie dies möglich sein kann und bauten ein digitales Modell der Metallstruktur auf. Somit fanden sie heraus, dass es unter bestimmten Voraussetzungen möglich ist, selbstheilende Materialien zu gestalten. Wie war ihnen jedoch noch nicht klar.

Materialermüdung hat den größten Anteil an Materialbrüchen. Hierbei entstehen durch Umgebungseinflüsse wie wechselnder Beanspruchung oder wechselnder Temperatur Mikrorisse in der Materialstruktur. Bei fortschreitender Ermüdung kann es bis zu einem Ermüdungsbruch kommen. Demkowicz meint, dass Bauteile erheblich sicherer gebaut werden könnten sowie die Sicherheit erhöht wird.

Einsatzgebiete sind primär Werkstoffe in der Luft- und Raumfahrttechnik oder beim Erschließen von Ölquellen, da hier das Thema Materialermüdung eine sehr wichtige Rolle spielt.

Domkowicz sagt, man sei noch am Anfang der Forschung von selbstheilenden Materialien. Der Durchbruch ist noch nicht gelungen.

Selbstheilende Materialien – wo die Selbstheilung von Materialen schon gelungen ist

In der Textilforschung haben Forscher des Instituts für Textilchemie und Chemiefasern (ITCF) in Denkendorf neuartige Composites (Verbundwerkstoffe) entwickelt, die nach einer Deformierung ihre ursprünglichen Materialeigenschaften wiederherstellen können. Spezielle Polymer-Technologien ist es möglich, eine Selbstheilung einzusetzen. Diese geschieht entweder eigenständig oder durch UV-Licht oder Hitze induziert.

Am Center for Synergetic Structures der schweizerischen EMPA hat man in Zusammenarbeit mit der Uni Freiburg eine Membran entwickelt, die Löcher selbstständig schließt. Die Lösung dafür fand man in der Pflanzenwelt. Eine nordamerikanische Liane (Pfeifenwinde) besitzt Selbstheilungskräfte, durch die sich bei Verletzungen spezielle Zellen des Grundgewebes über die Wunde ausdehnen und so provisorisch verschließen. Man entdeckte ein Polyurethan-Polyester-Schaum, der sich unter Überdruck schlagartig ausdehnt.

Diese Eigenschaft nutzt man bei Membranen. Im Falle einer Verletzung dieser entsteht ein Überdruck, der den Schaum sofort ausdehnen lässt und die Verletzung (Loch) verschließt.

An der TU Delft am Lehrstuhl für Materialforschung der Fakultät Bauingenieurwesen hat man einen neuartigen selbstheilenden Asphalt entwickelt. Dem Bitumen werden kleine Stahlwollefasern beigemischt. Treten Risse oder Schäden im Asphalt auf, können diese mittels Aufbringen einer Induktionsenergie durch geschmolzene Stahlwollefasern geschlossen werden. Seit 2010 wird dieser Asphalt auf einer Teststrecke in der Nähe des niederländischen Vlissingen auf der A 58 getestet und Erfahrungen in einem Blog festgehalten.

Ein weitere Durchbruch gelang der TU Delft mit einer neuartigen Betonart. In Zusammenarbeit mit Mikrobiologen entwickelten sie einen Beton, der Risse selbst heilen kann. Dem Beton werden hierfür Bakterien beigemischt. Durch eine Rissbildung beginnen diese zu arbeiten und schließen dieselben mit Calciumlaktat. Gleichzeitig schützen sie den Bewehrungsstahl vor Korrosion.

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