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Mikroarchitektur macht stabiler als Stahl

Leichtbaumaterialien
Mikroarchitektur macht stabiler als Stahl

Mikroarchitektur macht stabiler als Stahl
Die Fachwerk-Konstruktion aus Keramik-Polymer-Verbundwerkstoff ist besonders stabil, obwohl die einzelnen Elemente nur wenige hundert Nanometer stark sind Bild: J. Bauer/KIT
Besonders stabile Leichtbaumaterialien mit Mikrostruktur, deren Dichte geringer ist als die von Wasser, haben Karlsruher Forscher vorgestellt. Die Belastbarkeit im Verhältnis zum Gewicht ist aber höher als die von Hochleistungsstahl oder Aluminium.

Inspiriert von der Fachwerkstruktur von Knochen und der Schalenbauweise von Bienenwaben haben die Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) neue Leichbaumaterialien mit interessanten Eigenschaften entwickelt. „Die Natur setzt zum Tragen von Gewichten auf offenporige, nicht-massive Strukturen“, erklärt KIT-Mitarbeiter Oliver Kraft. Bekannte Beispiele seien Holz und Knochen. Das Material aus dem Karlsruher Labor hält aber bei gleicher Dichte mehr Druckbelastung aus.

Besonders stabil zeigte sich eine Schalenstruktur, die sich am Aufbau von Bienenwaben orientiert. Sie gab erst bei einem Druck entsprechend 28 kg/mm² nach und hatte eine Dichte von 810 kg/m³. Das übersteigt das Verhältnis von Belastbarkeit zu Dichte von Knochen, massivem Stahl oder Aluminium. Die hier verwendete Struktur 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. Anschließend 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.
„Unsere Strukturen ähneln dem Gerüst eines Fachwerkhauses mit waagerechten, senkrechten und diagonalen Streben“, sagt KIT-Mitarbeiter Jens Bauer. „Nur dass unsere Balken kaum größer als zehn Mikrometer sind.“ Insgesamt sind die Leichtbauteile, die die Wissenschaftler im Fachmagazin PNAS vorgestellt haben, etwa 50 µm lang, breit und hoch.
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