Selbstheilung zum Schutz metallischer Werkstoffe

Werkstoffe, die sich bei mechanischer Beschädigung selbst heilen können, bieten enormes Potential. Am weitesten fortgeschritten ist hier die Forschung und Entwicklung im Bereich der polymeren Materialien. Das Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) arbeitet daran, Selbstheilung auch für die Anwendung metallischer Werkstoffe zu realisieren.

Michael Rohwerder*, Jochen M. Schneider und Blazej Grabowski

Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH, 40237 Düsseldorf, Germany - *Kontaktdaten: rohwerder@mpie.de, +49-211-6792-914

Unter Selbstheilung von Werkstoffen versteht man deren Fähigkeit, mechanische Defekte komplett oder zumindest weitgehend selbstständig zu heilen, sodass die ursprüngliche Funktionalität wiederhergestellt wird; das schließt nicht unbedingt deren äußere oder innere Mikrostruktur ein. Im Rahmen des DFG SPP 1568 forscht das MPIE zusammen mit Kooperationspartnern auf den Gebieten thermischer Barriere-schichten, selbstheilender Korrosionsschutzbeschichtungen und Metalllegierungen.

Thermische Barriere-Schichten sollen den metallischen Werkstoff vor Kontakt mit der heißen und reaktionsfreudigen Atmosphäre z.B. in Turbinen schützen. Eine Möglichkeit hier Selbstheilung zu realisieren ist durch Oxidation. Jochen M. Schneider (RWTH Aachen & Fellow am MPIE) konnte zeigen, dass eine Si-Einlagerung in Cr₂AlC eine Erhöhung der Al₂O₃ Oxidationsschichtdicke und damit der Selbstheilungskinetik verursacht. Elektronenmikroskopische und atomsondentomographische Untersuchungen stützen die These, dass dies auf den Si-konzentrationsinduzierten Anstieg der Al₂O₃-Nukleationsdichte zurückzuführen ist [2].

Für Korrosionsschutzschichten wurden am MPIE unter Leitung von Michael Rohwerder bereits vielversprechende Ansätze erarbeitet, wie Korrosion inhibierende und schichtbildende Agenzien sicher in Kapseln z.B. aus redox-aktiven leitfähigem Polymer oder Siliziumdioxid eingekapselt und in organischen bzw. metallischen Beschichtungen nur durch Korrosion getriggert wieder freisetzbar gespeichert werden können. Die Schichtheilung größerer Defekte bei Raumtemperatur hat das Problem, dass der Transport von reaktiven Agenzien in ausreichender Menge deutlich schwieriger zu realisieren ist. Daher wird in Kooperation mit Partnern am MPI für Polymerforschung an Ansätzen gearbeitet, sowohl die Triggerausbreitung, wie z.B. korrosionsinduzierte Änderung des Potentials oder des pH-Wertes, als auch den Transport der Agenzien zu optimieren.

Selbstheilende Stähle böten eine interessante Möglichkeit, die Lebenszeit von Strukturwerkstoffen zu verlängern. Derzeit gibt es solche Stähle nicht. Das Hauptproblem ist, dass die bisher untersuchten Selbstheilungsmechanismen auf chemischen Reaktionen basieren, was in metallischen Strukturwerkstoffen so nicht funktioniert.

Das Team um Dr. Grabowski und Dr. Maisel am MPIE verfolgt deshalb eine andere Strategie [6]. Eisenbasislegierungen wie Stähle erhalten ihre vielfältigen Einsatzmöglichkeiten durch die verschiedenen strukturellen Phasen (Ferrit, Austenit, Martensit), die gezielt eingestellt werden können. Übergänge zwischen diesen Phasen könnten zur Selbstheilung genutzt werden. Die aktuellen Forschungsarbeiten [7; 8] sind auf Modellsysteme fokussiert, bei denen diese Übergänge sehr ausgeprägt sind. Zunächst werden Formgedächtnislegierungen untersucht. Ein Schlüssel zur Optimierung ist die gezielte Einstellung der Mikrostruktur, wie beispielweise die Einbettung von Formgedächtnis-Nanopartikeln in eine steife Matrix, siehe Bild.

Simulationen zeigen die Wiederherstellung („Selbstheilung“) der ursprünglichen Mikrostruktur eines eingebetteten Nanopartikels (20 nm) nach Zugbelastung und Wärmebehandlung (bei 100 °C). Blaue Regionen repräsentieren die austenitische und rote die martensitische Phase

www.stahlundeisen.de

Simulationen zeigen die Wiederherstellung („Selbstheilung“) der ursprünglichen Mikrostruktur eines eingebetteten Nanopartikels (20 nm) nach Zugbelastung und Wärmebehandlung (bei 100 °C). Blaue Regionen repräsentieren die austenitische und rote die martensitische Phase

www.stahlundeisen.de

Literatur

[1] Ando, K.; Furusawa, K.; Takahashi, K.; Sato, S.; J. Eur. Ceram Soc. 25 (2005), S. 549/55.

[2] Shang, L.; Gokuldoss, P.; Sandlöbes, S.; to Baben, M.; Schneider, J.M.: J.Eur. Ceram. Soc. In press, http://dx.doi.org/10.1016/j.jeuroceramsoc.2016.11.050

[3] Crespy, D.; Landfester, K.; Fickert, J.; Landfester, K.; Crespy, D.; Rohwerder, M.: Adv. Polym. Sci. 273 (2016), S. 219/46.

[4] Tran, T. H.; Vimalanandan, A.; Genchev, G.; Fickert, J; Landfester, K.; Crepsy, D.; Rohwerder, M.; Advanced Materials 27 (2015), S. 3 825/30.

[5] Vimalanandan, A.; Lv, L. P.; Tran, T. H.; Landfester, K.; Crespy, D.; Rohwerder, M.: Advanced Materials 25 (2013), S. 6980/84.

[6] Grabowski, B.; Tasan, C.C.: Self-Healing Metals, Springer, Berlin u.a., 2016.

[7] Ko, W.-S.; Grabowski, B.; Neugebauer, J.: Phys. Rev. B 92 (2015), Art. 134 107.

[8] [Ko, S. W.-S.; Maisel, B.; Grabowski, B.; Jeon, J.B.; Neugebauer, J.: Acta Mater. 123 (2017), S. 90/101.