Forscher stellen Leichtmaterialien vor, die belastbarer sind als Stahl

8. Februar 2014, 20:24
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Wissenschafter ließen sich von Knochen- und Bienenwaben-Struktur inspirieren

Deutsche Wissenschafter haben hochstabile Leichtbaumaterialien mit einer geringeren Dichte als Wasser vorgestellt, deren Belastbarkeit aber im Verhältnis zum Gewicht höher liegt als die von Hochleistungsstahl. Inspiriert wurden die Karlsruher Forscher bei ihrer Arbeit von der Fachwerkstruktur in Knochen und der Schalenbauweise von Bienenwaben.

"Die neuen Leichtbaumaterialien ähneln dem Gerüst eines Fachwerkhauses mit waagerechten, senkrechten und diagonalen Streben", sagt Jens Bauer vom Karlsruher Institut für Technologie. "Nur dass unsere Balken kaum größer als 10 Mikrometer sind." Insgesamt waren die Leichtbauteile etwa 50 Mikrometer lang, breit und hoch.

Auch die Natur setze zum Tragen von Gewichten auf offenporige, nicht-massive Strukturen, erklären die Forscher. 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.

Belastbarer als Knochen, massiver Stahl oder Aluminium

Die Struktur 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 Leichtbau-Strukturen 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 auch als Filter in der chemischen Industrie genutzt werden. (red, derStandard.at, 8.2.2014)

  • Leichter als Wasser aber fester als Stahl: Die Fachwerk-Konstruktion aus Keramik-Polymer-Verbundwerkstoff ist außerordentlich stabil, obwohl die einzelnen Elemente nur wenige hundert Nanometer stark sind.
    foto: j. bauer/kit

    Leichter als Wasser aber fester als Stahl: Die Fachwerk-Konstruktion aus Keramik-Polymer-Verbundwerkstoff ist außerordentlich stabil, obwohl die einzelnen Elemente nur wenige hundert Nanometer stark sind.

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