Metaalschuimen ontwikkeld door materiaalwetenschappers Stefan Diebels en Anne Jung van de Saarland University Strong zijn sterk genoeg voor gebruik in impactbeschermingssystemen in auto's, en zijn in staat om de schokgolven van een detonatie te absorberen. Hun super lichtgewicht, extreem sterke metaalschuimen kunnen worden aangepast voor een breed scala aan toepassingen.

De inspiratie voor het nieuwe schuimsysteem kwam van botten. Met behulp van een gepatenteerd coatingproces, het team van Saarbrücken vervaardigde zeer stabiele, poreuze metaalschuimen die kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, in lichtgewicht bouwprojecten. Het aanvankelijke roostersubstraat is een aluminium- of polymeerschuim, niet anders dan een keukenspons. Het onderzoeksteam en het startende bedrijf dat hun werk heeft voortgebracht (Mac Panther Materials GmbH, Bremen, Duitsland) zal plaatsvinden op de Hannover Messe, waar ze hun proces van 1 tot 5 april zullen presenteren op de Saarland Research and Innovation Stand (hal 2, Stand B46).

Botten zijn een van de vele ingenieuze ontwikkelingen van de natuur. Ze zijn sterk en stabiel en kunnen ladingen bijna net zo goed aan als staal. Maar ondanks hun kracht, botten zijn ongelooflijk licht. Het geheim zit in de combinatie van een harde buitenschaal die een poreuze, roosterachtig netwerk van botweefsel in het binnenste van het bot. Deze structuur bespaart materiaal en vermindert het gewicht. Metaalschuim bootst deze natuurlijk voorkomende botstructuren na.

Synthetische schuimen zijn poreus, opencelstructuren vervaardigd uit metalen en die eruitzien als een spons. De momenteel beschikbare metaalschuimen zijn voldoende licht van gewicht, maar het productieproces is ingewikkeld en duur. De stabiliteit van bestaande sponsachtige schuimstructuren is voor veel toepassingen nog te zwak en niet veerkrachtig genoeg. Dit geldt voor aluminiumschuim, wat het meest voorkomende type is dat tegenwoordig wordt geproduceerd. "Dit is de reden waarom metaalschuimen tot nu toe geen echte marktimpact hebben gehad, " legt materiaalwetenschapper Stefan Diebels uit, hoogleraar toegepaste mechanica aan de Universiteit van Saarland.

Zijn onderzoeksteam heeft een manier gevonden om de roosterstructuur van de metaalschuimen aanzienlijk te versterken, het produceren van een lichtgewicht, extreem stabiel en veelzijdig materiaal. Diebels en materiaalwetenschapper Dr. Anne Jung hebben een gepatenteerde procedure ontwikkeld voor het coaten van de afzonderlijke stutten waaruit het opencellige binnenrooster bestaat. Als resultaat, de buitenkant van het schuim is sterker en stabieler, en de constructie is nu bestand tegen extreme belastingen. Echter, het behandelde schuim blijft verbazingwekkend licht.

Het team begon met het gebruik van aluminiumschuim, maar gebruiken nu goedkope polyurethaanschuimen waarvan de sterkte volledig afkomstig is van de dunne metaalcoating die op de roosterstructuur is aangebracht. "De resulterende metaalschuimen hebben een lage dichtheid, een groot oppervlak maar een klein volume. In verhouding tot hun gewicht, deze schuimen zijn extreem sterk en stijf, " zegt Stefan Diebels. Sterker nog, ze zijn zo sterk dat ze worden gebruikt als mobiele barrières om bescherming te bieden tegen de schokgolven veroorzaakt door explosies. Zelfs bij blootstelling aan onderwaterexplosies, de schuimen 'slikken' gewoon de resulterende geluids- en drukgolven op, waardoor gevoelige mariene organismen worden beschermd tegen de effecten van deze krachtige schokgolven.

"De meeste toepassingen waar we ons op richten zijn over het algemeen minder spectaculair, zoals het gebruik van onze schuimen in lichtgewicht constructies, " legt Dr. Anne Jung uit, een senior onderzoeker in de groep van Diebels.

Veel producten kunnen lichter en stabieler worden gemaakt door inspiratie te putten uit de vindingrijkheid van de natuur. Bijvoorbeeld, uit het metaalschuim konden dragende constructies in auto's en vliegtuigen worden vervaardigd. "Ze kunnen worden geïnstalleerd als verstevigingsbalken in de carrosserie, terwijl het ook bescherming biedt tegen stoten. De stutten kunnen grote hoeveelheden energie opnemen en zijn in staat om de kracht van een botsing op te vangen wanneer delen van de poreuze kern breken onder invloed, ", legt Anne Jung uit.

Er zijn talloze toepassingsgebieden voor deze schuimen, zoals bij katalyse, omdat het materiaal poreus is en dus vloeistoffen en gassen doorlaat, of voor schokabsorptie of als hitteschild, aangezien de schuimen een uitstekende hittebestendigheid vertonen. Het schuimmateriaal kan ook worden gebruikt voor elektromagnetische afscherming of in architecturale toepassingen, waar het wordt gebruikt als geluidsabsorberende bekleding of als ontwerpelement voor gebouwen.

De coating wordt aangebracht in een galvaniseerbad. Het meest uitdagende aspect van het galvanisatieproces was het bereiken van een uniforme coating van de ultradunne laag door het hele interieur van de schuimstructuur. "Het probleem, " legt Anne Jung uit, "is dat het metaalschuim fungeert als een kooi van Faraday." Omdat de binnenkant van het schuim is omgeven door elektrisch geleidend materiaal, elektrische stroom en dus de coating wordt omgeleid naar de buitenkant van het schuimlichaam en gaat niet door het binnenste van het schuim - het is vergelijkbaar met wat er gebeurt als bliksem inslaat in een auto. De doorbraak kwam toen Anne Jung besloot een speciale anodekooi te gebruiken, waarmee ze een uniform kan aanbrengen, nanokristallijne coating door het hele roosternetwerk. "De gepatenteerde methode functioneert ook op industriële schaal bij schuimen met zeer grote oppervlakten, ’ voegt Jung eraan toe.

Het team van Saarbrücken heeft talrijke belangrijke wetenschappelijke artikelen op dit gebied geschreven, en wordt nu beschouwd als een van 's werelds toonaangevende onderzoeksgroepen in de micromechanische karakterisering van deze poreuze metalen roosters. Met behulp van een reeks experimenten, simulaties, spanning en compressie testen, optische microscopie en röntgencomputertomografie, het onderzoeksteam heeft de structuur onderzocht, poriëngeometrie en kromming van de stutten en hebben aangetoond hoe het variëren van de dikte van de nanocoating verschillende eigenschappen aan de schuimmaterialen kan geven. Door de samenstelling van de coating te variëren, de dikte of de poriegrootte, het team kan schuimen aanpassen aan verschillende toepassingsbehoeften. Bijvoorbeeld, nanocoating van de opencellige roosterstructuur met nikkel produceert bijzonder sterke schuimen, met koper vertoont het schuimmateriaal een hoge thermische geleidbaarheid, met zilver hebben ze goede antibacteriële eigenschappen, en met goud is het schuim zeer decoratief. De onderzoeksgroep Saarbrücken, waaronder studenten en doctoraatsonderzoekers, blijven werken aan de optimalisatie van zowel het productieproces als het materiaal zelf.

Om de commerciële en industriële toepassing van hun onderzoeksresultaten te vergemakkelijken, de onderzoekers van Saarbrücken zijn samen met het Knowledge and Technology Transfer Office (KWT) van de Universiteit van Saarland en de externe start-uppartners Dr. Andreas Kleine en Michael Kleine een proefproject voor technologieoverdracht aangegaan, en hebben het bedrijf Mac Panther Materials GmbH opgericht met het hoofdkantoor in Bremen. Zowel dr. Jung als professor Diebels hebben een belang in het nieuwe bedrijf, evenals WuT, het kennis- en technologieoverdrachtsbedrijf van Saarland University.