Polymere Werkstoffe begegnen uns jeden Tag aufs Neue. Das beginnt schon beim morgendlichen Zähneputzen. So besteht eine Zahnbürste meist aus einem Hart-Weich-Verbund zweier Kunststoffe und wird über das Spritzgießverfahren hergestellt. Auch beim Griff zur Milchtüte oder den Cornflakes am Frühstückstisch hat uns die Welt der Kunststoffe fest in der Hand. So besteht die Folie in der Cornflakes-Verpackung aus mehreren hauchdünnen Schichten von Kunststoffen, um verschiedene individuelle Eigenschaften zu vereinen. So bleiben die Flakes zum Beispiel länger frisch.
Funktionsmaterialien spielen eine wichtige Rolle in High-Tech-Anwendungen: Ionenleiter in sicheren, kleinen und leichten Batterien mit hoher Speicherkapazität oder in Brennstoffzellen, Halbleiter in Computerchips oder Solarzellen, Katalysator- und Sensormaterialien für eine saubere Umwelt und viele andere mehr. Häufig ist die Synthese dieser speziellen Materialien eine Herausforderung, häufig müssen aber auch geeignete Verarbeitungstechnologien gefunden werden, z.B. um dünne Schichten erreichen zu können. Dabei kommt es auf Effizienz beim Materialeinsatz, aber auch auf das Erreichen mit speziellen Eigenschaften (mechanische Stabilität, elektrische Leitfähigkeit, etc.) an.Die Arbeit von Ingenieuren in Forschung und Entwicklung muss dabei den Blick auf das Gesamtsystem behalten.
High-Tech-Produkte aus der Natur
Die biotechnologische Herstellung von biologischen Komponenten, Charakterisierung und Funktionalisierung von biologischen Materialien wie z.B. Spinnenseide oder Muschelbyssus sowie deren technische und medizintechnische Anwendbarkeit stehen im Mittelpunkt der Forschungsarbeiten des Lehrstuhls für Biomaterialien.
Metalle aus der Nähe betrachtet
Der Lehrstuhl unterhält vielfältige Kontakte zu Industrieunternehmen. Ziel ist es, auf Grundlage fundierter experimenteller und theoretischer Erkenntnisse, Prozesstechnologien anwendbar zu machen und die Umsetzung des Wissens in marktfähige Produkte zu erreichen.
Der Lehrstuhl Keramische Werkstoffe beschäftigt sich mit der Entwicklung von neuen keramischen Werkstoffen und Bauteilen mit verbesserten mechanischen, physikalischen, chemischen und thermischen Eigenschaften. Die Entwicklungsarbeiten umfassen dabei sowohl grundlagen- als auch anwendungsorientierte Forschungsprojekte. Neuartige keramische Werkstoffe kommen beispielsweise im Maschinenbau, der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie oder der Energie- und Medizintechnik zum Einsatz.
Die Kaffeemaschine nutzt den zwischengespeicherten Windstrom vom Vortag, das Handy wird über die Solarzelle vorm Fenster geladen und Sie machen sich nach dem Frühstück mit dem Elektroroller auf den Weg zur Schule – sieht so Ihr Alltag in der Zukunft aus?
Der Lehrstuhl Werkstoffverfahrenstechnik will eben diesen Alltag mit Forschung in der elektrochemischen Energiewandlung und -speicherung aktiv mitgestalten und verbindet hierzu die Materialwissenschaft mit dem Systemengineering. Wir forschen an neuen Akkus für Handys, an Brennstoffzellen und Batterien für die Elektromobilität, aber auch an größeren Batteriesystemen, welche die überschüssige Energie aus Windparks zwischenspeichern können.
Wir entwickeln neue Materialien, fertigen diese zu Bauteilen und bringen sie im System erfolgreich zur Anwendung. Ein Beispiel ist die Herstellung von Kohlenstoffkompositen als leistungsfähige Elektroden für Redox-Flow Batterien, um zukünftig Wind- oder Sonnenstrom zu speichern. Weitere Beispiele finden Sie in unseren Forschungshighlights.
Die Gruppe um Juniorprofessor Chris Künneth verwendet künstliche Intelligenz, um "die Nadel im Heuhaufen" zu suchen. Wo eigentlich viele Jahre experimentelle Arbeit nötig wären, um Wissen über Struktur-Eigenschaftsbeziehungen zu erhalten, kann durch datengetriebene Analyse und maschinelles Lernen wesentlich schneller ein Hinweis auf die richtige Materialkombination oder Herstellungstechnologie erreicht werden. Um dieses Ziel zu erreichen, verfolgt die Kuenneth Group ein ganzheitliches Konzept das Datenmanagement, Materialdarstellung, Methoden der künstlichen Intelligenz und Demokratisierungstechniken berücksichtigt. Kerngebiete sind u.a.:
Big Data und fortschrittliche maschinelle Lernverfahren
Vorhersage von Materialeigenschaften oder Materialien basierend auf Eigenschaften
Strategien zur Erforschung unerforschter Materialräume
Wissensentdeckung und Rule Mining mit KI
KI-gestützte Syntheseplanung und autonomes Materialdesign
Überbrückung von Längen- und Zeitskalen mit KI
Hochdurchsatz-Screening mit KI
Datenextraktion, -kuratierung und -organisation
Unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Christoph Helbig ist das Ziel der Forschung und Lehre am Lehrstuhl, Material- und Energieflüsse nachhaltiger zu gestalten. Hierbei verwendet das Team Methoden der sogenannten Industrial Ecology und entwickelt diese weiter.
Dazu vereint der Lehrstuhl drei Säulen:
Die Forschungsaktivitäten rund um die Themen "Batterien" bis hin zu "grünem Wasserstoff" werden im Bayerischen Zentrum für Batterietechnik (BayBatt) gebündelt. Im Ingenieurwissenschaftlichen Bereich sind hier viele Forschergruppen beteiligt. In vielen Fällen spielt das Material und dessen Verarbeitungstechnologie die Hauptrolle: Ionenleiter, Elektroden, neue Materialien für nachhaltige Speicher, Feststoffbatterien u.v.m.
Der Weg zur Schule zeigt weitere Beispiele für den Einsatz von Polymeren. Das Fahrrad besitzt teilweise Faserverbundbauteile, um Gewicht einzusparen. Im Auto sitzen wir bequem auf Polstern aus verschiedenen Schaumstoffen, der Türgriff hat eine angenehme Soft-Touch Oberfläche und der Stoßfänger sorgt mit seinem Materialverbund aus glasfaserverstärktem PP und EPP als Kernmaterial für mehr Sicherheit. Vor allem der Einsatz geschäumter Materialien im Auto führt zu einem geringeren Gewicht und sorgt damit für einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch.
Auch im Sport kommen Funktionsmaterialien zum Einsatz, die beispielsweise durch den Einsatz von Silber-Ionen in der Faser die Geruchsbildung hemmen.
Der Lehrstuhl für Polymere Werkstoffe beschäftigt sich mit vielen dieser Bereiche:
Polymerblends:
Wenn man zwei Polymere zur Verfügung hat, die zwar jedes für sich gesehen gute, aber eben sehr spezifische Eigenschaften haben, kann man versuchen eine Mischung daraus zu machen, um eine Kombination der Eigenschaften zu erreichen. So kann beispielsweise ein Material, das erst bei sehr hohen Temperaturen weich wird und damit kaum zu verarbeiten ist, über eine weitere niedrig-schmelzende Komponente, so eingestellt werden, dass einerseits die guten mechanischen Eigenschaften des hochschmelzenden Materials bestehen bleiben, aber auch die guten Verarbeitungseigenschaften gewährleistet sind. Damit können relativ einfach über die Kombination bestehender Materialien neue Eigenschaften realisiert werden.
Polymerschäume:
Jeder hat eigentlich schon einmal polymere Schäume in der Hand gehabt – zum Beispiel in Form von Styropor®. Doch derartige Schäume begegnen uns noch viel häufiger, beispielsweise in Autositzen, dem Sofa, aber auch in Bereichen, in denen man sie gar nicht vermutet. Dabei übernehmen Schäume vielfältige Aufgaben: sie können als Dämmmaterial in Häusern verwendet werden, als Schutzverpackung für den neuen Flachbildfernseher, aber auch zur Schallisolierung oder einfach um Gewicht und Rohstoff einzusparen.
Ein innovativer Spezialschaum ist das EPP (expandiertes Polypropylen):
Aus losen, expandierten Kunststoffperlen entstehen homogene Formteile – mittels Wasserdampf und durch die Wirkung von Temperatur und Druck.
EPP kann man auch dort finden, wo man es auf den ersten Blick gar nicht vermutet: In Fußballstadien, denn expandiertes Polypropylen stellt eine ideale Unterlage für Kunstrasen dar.
Die EPP-Bodenplatten bestechen nicht nur mit ihrer Dämpfungswirkung, sie sind auch ultra leicht und lassen sich überall kostengünstig und umweltfreundlich transportieren. Ein weiterer Vorteil: Die EPP-Bodenplatten können, wie Mosaiksteine, problemlos aneinander gefügt werden. Im Nu entsteht eine große Unterlage für den Kunstrasen.
Bei diesen Eigenschaften von EPP stellt sich dem Fußballfan die Frage: Kann das federleichte EPP-Material jetzige und zukünftige Fußballgiganten so problemlos tragen? Natürlich. Schließlich verschmelzen die kleinen, geschäumten Kunststoffperlen unter enormer Hitze zu einem überaus stabilen und festen Material, das jede Fußballgröße problemlos aushält.
Faserverbundwerkstoffe:
Was macht die neue Generation der großen Passagierflugzeuge aus? Sie bestehen zu mehr als 50 % aus Faserverbundwerkstoffen. Und sparen damit richtig viel Gewicht ein, was dazu führt, dass mehr Passagiere auf einmal transportiert werden können. Dabei ist aber wichtig, die richtige Kombination aus Faser und Matrix zu wählen, um Unfälle zu verhindern.
Aber auch im Automobilsektor werden Faserverbundwerkstoffe immer wichtiger. Um bei den neuen Elektromobilen noch mehr Gewicht einzusparen und damit größere Reichweiten zu erreichen, wird ebenfalls das High-Tech-Material eingesetzt.
Und was macht Windräder immer größer und damit leistungsfähiger? Ebenfalls die Faserverbundtechnologie. So konnte die Leistung in den letzten xx Jahren von xx auf xy gesteigert werden. Um auch in der Zukunft alternative Energien immer mehr nutzen zu können, wird auch weiterhin daran an der Verbesserung der Windtechnologie gearbeitet.
Ermüdung:
Die Verwendung von Kunstoffbauteilen im Flugzeugbereich und der Windtechnologie führt natürlich auch zu Fragestellungen hinsichtlich der Haltbarkeit der Materialien. Häufig treten schwingende Belastungen auf, die dazu führen können, dass ein Material frühzeitig kaputt geht. Am einfachsten kann man sich das an einer Plastiktüte vorstellen: Wenn man die vollbepackt aus dem Supermarkt nach Hause trägt, kann es passieren, dass sie unterwegs reißt – weil durch die Bewegung das Material müde wird und nachgibt. Im Vergleich dazu wird erst mal nichts passieren, wenn man die gleiche Tüte an die Tür hängt und dort belässt. Denn dabei hat man keine schwingende Last die einwirkt. Das gleiche kann auch bei scheinbar viel härteren Materialien passieren: weil Schwingungen ein Material anders belasten als wenn es einfach runterfällt. Untersuchen kann man solche Versagensmechanismen mittels eines servohydraulischen Prüfstandes, aber auch an einem sogenannten Fallturm. Damit können schwingende und schlagartige Belastungen nachgestellt werden.
Nanocomposites:
Nano hat eigentlich jeder schon mal gehört. Nano-Additive sind so klein, dass sie mit dem bloßen Auge nicht erkennbar sind. Auch in Kunststoffen werden immer häufiger Nano-Additive zugesetzt, um die Eigenschaften zu verbessern. Diese Additive können zum Beispiel verhindern, dass Polymere so leicht in Flammen aufgehen. Dabei beschäftigt sich der Lehrstuhl mit verschiedenen Additiven, die als Stäbchen, Fasern, Kugeln oder Plättchen vorliegen können und aufgrund ihrer Form unterschiedliche Eigenschaften im Polymer hervorrufen. Da hier die Einarbeitung eine große Rolle spielt, stehen dem Lehrstuhl verschiedene Anlagen wie Extruder und Kneter zur Verfügung.
Der Lehrstuhl für Funktionsmaterialien forscht in seinen Kompetenzbereichen:
In diesen Forschungsschwerpunkten wird die komplette Prozesskette von der Präparation der Materialien bis hin zum Test eingesetzt. Dies betrifft auch die Simulation sowie die dafür notwendige umfangreiche Messtechnik und Analytik.
Der Lehrstuhl arbeitet an anwendungsorientierten Grundlagenthemen, die meist von der DFG gefördert werden, an vorwettbewerblichen Forschungsthemen im Rahmen öffentlich geförderter Gemeinschaftsprojekte und an industrienahen Themen in direkter Beauftragung.
Funktionelle Nano-Materialien
Ausgehend von den Anforderungen werden Nano-Materialien für den Einsatz z.B. in Katalysatoren oder Sensoren
hergestellt („designed“) und im Rasterelektronenmikroskop untersucht. Bei Funktionskeramiken erfolgt die
elektrische Charakterisierung häufig durch Impedanzspektroskopie unter Gasbeaufschlagung bei hoher Temperatur.
Neue Sensorprinzipien
In grundlagenorientierter Forschung werden neue Ansätze zur Messung der Gassensitivität von Funktionsmaterialien
verfolgt (hier: Änderung der Thermokraft bei Gasbeaufschlagung). Der Lehrstuhl ist mit der kompletten
Prozesskette zur Herstellung und Vermessung neuartiger Gassensoren ausgestattet.
Technologie
Sensormaterialien brauchen einen Bauteilträger. Mittels Laser können alle Arten von Substraten (hier dünne
LTCC-Keramiken) präzise strukturiert werden. Die Möglichkeiten reichen von der Strukturierung gebrannter oder
„grüner“ Keramik bzw. Leiterbahnen bis hin zum Bohren von Vias in Keramik oder LTCC.
Strukturierte Schichten
Sensormaterialien brauchen eine elektrische Kontaktierung. Mit Dickschicht- oder Dünnschichtprozessen
realisieren wir komplizierte Strukturen. Diese können auch photolithographisch strukturiert oder direkt mit dem
Laser geschrieben werden.
Versuchsreihen am PC
Mithilfe geeigneter Software lassen sich Sensoren und Materialien modellhaft beschreiben. Simulationen helfen
beispielsweise, eine konstante Wärmeverteilung auf einem Bauteilträger bei gleichzeitiger Minimierung der
Heizleistung zu realisieren. Simulation von Transport- und Reaktionsprozessen erlaubt, die Materialien zu
verstehen und ingenieurmäßig zu modifizieren.
Materialentwicklung durch Materialsimulation
Theoretische Überlegungen zu grundlegenden physikalischen Prozessen gestützt durch numerische Berechnungen
stellen die Grundlage für die Entwicklung von Funktionsmaterialien dar. Je nach Leitfähigkeitsmechanismus ändert
sich beispielsweise bei halbleitenden Oxiden der Widerstands- oder Thermokraftverlauf in Raumladungszonen
gasspezifisch.
Chemische Sensoren unter Beteiligung biologischer Komponenten
Spezialisierte molekularbiologische Strukturen (Enzyme, Antikörper, DNA) können aus einem komplexen
Substanzgemisch gezielt eine Substanz „herausfischen“. Dies wird technisch ausgenutzt in hochspezifischen
Biosensoren. Erforscht werden insbesondere Sensoren mit Enzymen und elektrochemischer Detektion. Dabei
kombinieren wir unser Technologie-Know-how mit biologischem und chemischem Verständnis.
Konzepte zur Abgasnachbehandlung
Die automobile Abgasnachbehandlung ist immer als ein gesamtes System aus Motorsteuerung, Katalysator und
Sensorik zu sehen. Wir haben die Möglichkeit, neue Konzepte zur Emissionsminderung sowohl im Labor
(Synthesegasanlagen) als auch direkt am Motorprüfstand (Realabgas) zu untersuchen und die Ergebnisse mit
präziser Analytik zu verifizieren.
Die biotechnologische Herstellung von biologischen Komponenten, Charakterisierung und Funktionalisierung von biologischen Materialien wie z.B. Spinnenseide oder Muschelbyssus sowie deren technische und medizintechnische Anwendbarkeit stehen im Mittelpunkt der Forschungsarbeiten des Lehrstuhls für Biomaterialien.
Das Ziel im Forschungsschwerpunkt "Muschelbyssus" ist die Analyse der natürlichen Fäden hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, Struktur und Biosynthese und die biotechnologische Herstellung entsprechender Byssuskomponenten inkl. der Muschelkollagene. Diese Erkenntnisse sind eine Grundlage z.B. für die Nutzung der Byssuskollagene als neuartiges Biomaterial.
Seiden werden nur von Arthopoden (Gliederfüßern) hergestellt. Ihr Hauptbestandteil sind Proteine, die in einem komplexen Prozess zum fertigen Seidenfaden assemblieren. Die wohl bekanteste Seidenart, die in der Textilindustrie seit Jahrhunderten verwendet wird, stammt von den Kokons des Seidenspinners Bombyx mori. Im Forschungsschwerpunkt "Seide" werden verschiedene Spinnenseidenproteine biotechnologisch produziert und im Hinblick auf ihre Faltung und Struktur untersucht, welche für den späteren Assemblierungsprozess und damit für die Eigenschaften des Seidenfadens von Bedeutung sind.
Aufgrund morphologischer Variabilität, herausragender mechanischer Eigenschaften, Biokompatibilität, biologischer Abbaubarkeit und Funktionalisierbarkeit besitzen Biopolymere wie Spinnenseide oder Muschelkollagene ein großes Potential für die Anwendung in bioinspirierten Materialien. Für die Herstellung von künstlichen Spinnenseidenfäden wird u.a. ein technischer Spinnprozess, der auf der "bionischen" Umsetzung des natürlichen Spinnprozesses basiert, entwickelt. Als Bindeglied zwischen (Hochschul-)Forschung und Industrie untersucht der Lehrstuhl die mechanischen und chemisch-physikalischen Eigenschaften der oben beschriebenen Morphologien. Aus den ermittelten Materialeigenschaften werden Funktionalität und Produkteigenschaft abgeleitet und somit mögliche neue technische und medizintechnische Anwendungen erschlossen.
Die größeren zentralen Forschungsthemen des Lehrstuhls Metallische Werkstoffe umfassen:
Für die Bearbeitung der genannten Themen werden folgende Arbeitsmethoden eingesetzt:
Werkstoffprüfung bei unterschiedlichen Prüfgeschwindigkeiten und Temperaturen, mit Verformungsgeschwindigkeiten von 10-9 bis 10+2 pro Sekunde und Temperaturbereichen zwischen Raumtemperatur und dem Schmelzpunkt des Metalls.
Probenpräparation und Strukturanalyse mittels Lichtmikroskop, Rasterelektronenmikroskop und Transmissionselektronenmikroskop sowie chemischen Analysen mit hoher Genauigkeit.
Modellbildung und Simulation von Werkstoffgefügen und deren Auswirkungen auf das mechanische Verhalten, wie z. B. die Erzeugung innerer Spannungen bei der Ausbildung des Gefüges.
Mit diesen Forschungsthemen ist der Lehrstuhl Metallische Werkstoffe in zahlreichen Forschungsprojekten beteiligt. Dies beinhaltet unter anderem das Graduiertenkolleg "Stabile und metastabile Mehrphasensysteme bei hohen Anwendungstemperaturen", die bundesweit agierende Forschergruppe "Nickel-Base-Superalloys" mit Standorten in Bochum, Darmstadt, Siegen, Braunschweig und Bayreuth sowie viele bilaterale Kooperationen.
Insofern spannt sich das Spektrum des Lehrstuhls von der reinen Grundlagenforschung über industriebezogene Forschung bis hin zur reinen Industrieforschung mit einer ebenso großen Breite der Themen und Anwendungsbereiche.
Rasterelektronenmikroskopie kombiniert mit Ionenstrahl:
Unter dem Rasterelektronenmikroskop lassen sich feine Strukturen auflösen. Zudem kann man mit einem fokussierten Ionenstrahl auch die Oberfläche eines Werkstoffs gezielt bearbeiten. Das Bild zeigt eine Metalloberfläche, in die mit Hilfe des Ionenstrahls das Logo des Lehrstuhls Metallische Werkstoffe eingraviert wurde. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hätte in dieser Vergrößerung eine Dicke von zwei Metern.
Laserschweißen:
Durch Laserlicht lassen sich Gegenstände gezielt lokal erwärmen. Die am Lehrstuhl verwendeten Laser sind besonders leistungsstark und besitzen eine hohe Energiedichte. Dies ermöglicht das Schweißen von verschiedenen Werkstoffen wie z.B. das Schweiß Löten von Aluminium und Stahl.
Werkstoffsimulation:
Computational Thermodynamics ist eine Disziplin, die sich unter anderem mit der Berechnung von Phasendiagrammen befasst. Diese beschreiben den Zustand eines Werkstoffs z.B. in Abhängigkeit von der Konzentration der Elemente und der Temperatur, wie für das Legierungsystem Cr Pt zu sehen. Die Phasenbildung wird auch durch den Grundzustand der Atome in einem Kristall bestimmt (Bild oben).
Oxidations- und Beschichtungsverhalten von Werkstoffen:
Die Wechselwirkung von metallischen Werkstoffen mit der Umwelt spielt bei industrienahen Anwendungen z.B. im Betrieb von Flugzeugturbinen eine große Rolle. Die rasterelektronenmiroskopische Aufnahme zeigt eine sich gebildete Oxidschicht einer Nickelbasis-Superlegierung. Die einzelnen Phasen innerhalb der Schicht werden durch die einzelnen Farben gekennzeichnet.
Der Lehrstuhl Keramische Werkstoffe beschäftigt sich mit der Entwicklung von neuen keramischen Werkstoffen und Bauteilen mit verbesserten mechanischen, physikalischen, chemischen und thermischen Eigenschaften. Die Entwicklungsarbeiten umfassen dabei sowohl grundlagen- als auch anwendungsorientierte Forschungsprojekte. Neuartige keramische Werkstoffe kommen beispielsweise im Maschinenbau, der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie oder der Energie- und Medizintechnik zum Einsatz.
Der Lehrstuhl verfügt dabei über langjährige Erfahrungen in der werkstoff- und verfahrenstechnischen Entwicklung von Pulver- und Precursorkeramiken sowie deren Charakterisierung und Prüfung. Neue Schwerpunkte der Forschungsarbeiten liegen in der Technologie der keramischen Verbundwerkstoffe sowie dem Engineering dieser Verbundkeramiken (wie z. B. Bauteilgestaltung, Qualitätssicherungsaspekte oder Verbindungstechniken).
Pulvertechnologie:
Ausgehend von keramischen Pulvern werden über die Verfahrensschritte Pulveraufbereitung, Formgebung und Sintern keramische Bauteile hergestellt. Schwerpunkte der Arbeiten stellen dabei die Synthese neuer polymerer Additive, die Weiterentwicklung der Verfahrenstechnik oder die prozessbegleitende Charakterisierung der Materialien dar. Das obere Bild zeigt ein neuartiges Pressgranulat, welches in einem Wirbelschichtreaktor hergestellt wurde.
Auf dem unteren Bild ist ein Kameragehäuse (Firma FCT Ingenieurkeramik) zu sehen, welches durch Sintern von keramischen Pulvern hergestellt wurde. Die hohe Steifigkeit und Dauerfestigkeit sowie die sehr niedrige Wärmeausdehnung sind dabei ausschlaggebend für den Einsatz einer Keramik bei dieser Anwendung.
Precursortechnologie:
Precursoren stellen oligomere und polymere Ausgangsverbindungen dar, welche durch eine thermische Behandlung in Keramiken umgewandelt werden können. Am Lehrstuhl werden solche Polymere entwickelt, hergestellt und untersucht. Ausgehend von derartigen Materialien können beispielsweise keramische Fasern (siehe Bilder), dichte oder poröse Beschichtungen oder keramische Faserverbundwerkstoffe hergestellt werden.
Wesentliche Vorteile der Precursortechnik sind dabei ihre kunststofftechnologische Verarbeitbarkeit oder die relativ geringen Herstellungstemperaturen.
Verbundkeramik:
Die Arbeitsgruppe Verbundkeramik beschäftigt sich mit allen Aspekten der Fertigung, Weiterentwicklung und Eigenschaftscharakterisierung keramischer Verbundwerkstoffe (CMC). Im Bild ist der Aufbau einer derartigen faserverstärkten Keramik zu sehen. Durch den Einbau von Fasern kann die Sprödigkeit der Keramik deutlich verringert werden, sodass sich diese neue Werkstoffklasse auch für sicherheitsrelevante Bauteile wie Bremsen, Hitzeschutzkacheln oder Triebwerksbauteile eignet.
Elektrogesponnene Faserelektroden für Batterien und Brennstoffzellen
Das Elektrospinnverfahren ist eine sehr flexible Methode, um aus Polymerlösungen endlos lange Fasern zu erzeugen. Werden diese auf einem sog. Kollektor abgelegt, dann bilden sich Fasergewebe, die nach einer Temperaturbehandlung bei mind. 1200 °C als neuartige elektronenleitende Kohlenstoffelektroden in Batterien und Brennstoffzellen eingesetzt werden können. Im Foto ist Marcus Gebhard zu sehen, wie er die Nadelspitze für den Spinnprozess positioniert.
Kohlenstoffkomposite in Redox-Flow Batterien
Was auf den ersten Blick aussieht wie eine Salzstange ist ein Kohlenstoff-Kohlenstoff-Komposit, das ebenfalls als besonders aktive Elektrode in Redox-Flow Batterien eingesetzt werden kann. Die Kohlenstofffasern leiten ausgezeichnet den Strom, während die darauf beschichtete zweite Kohlenstoffkomponente die Redoxreaktionen katalysiert. Das kann man gut im gezeigten Zyklovoltammogramm sehen: höhere, symmetrischere Peaks mit kleinerer Peakseparation weisen auf eine ausgezeichnete Aktivität hin.
Kupfer für ein besseres Klima
Klimaschädliches Kohlendioxid (CO2) in Wertstoffe, wie z. B. Ethylen und Methan, umzuwandeln – das klingt zu schön um wahr zu sein. Dabei könnte beispielsweise überschüssig produzierte Windenergie dazu dienen, klimaneutrale Kraftstoffe zur Nutzung in der stationären Energiegewinnung und der Individualmobilität zu erzeugen. Poröse Kupferschichten spielen hier eine wichtige Rolle, da sie je nach Struktur unterschiedliche Produkte bevorzugt erzeugen. Im Bild ist eine besondere Methode zur Strukturierung der Kupferschichten gezeigt. Wasserstoffbläschen, die sich während der Abscheidung auf dem Substrat bilden, dienen als sog. Template für Poren, um die herum das Kupfer in Tannenbaum-Struktur wächst.
Ein Blick ins Innere
Für die Entwicklung neuer Materialien und Verfahren ist es wichtig, während des Betriebs ins Innere eines Systems schauen zu können. Das kann beispielsweise mit Röntgenstrahlen geschehen, die auch sehr dicke Bauteile durchdringen können Die Abbildung zeigt, wie eine Flüssigkeit (gelb) sich den Weg durch eine poröse Elektrode bahnt.
