Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Neue Metallmatrix-Verbundwerkstoffe mit natürlicher Diatomeenverstärkung

The goal of the project is to develop, manufacture and characterize novel non-ferrous metal matrix composites, MMC, with Al-alloy matrix and diatoms as reinforcement. Diatom frustules have excellent specific mechanical properties and are available as natural/cultivated resource. The pre-competitive R&D will be focused on novel MMC with extraordinary combinations of structural and functional material properties. A benefit for participating SME is involvement in research actions, which ensures direct influence to and knowledge about the MMC, thus resulting in competitive advantage. The price of the reinforcement components will be lower than so-far used reinforcements and the leap between properties of conventional (non-reinforced) metallic materials (matrix) and MMC will be large enough to justify higher manufacturing costs. We will prove the concept for Al-MMC applied in lightweight constructions (e.g. parts for cars, other transportation and electr. engineering), with a perspective for lower costs at significantly increased specific strength and stiffness. Applications will be demonstrated for wrought and cast Al-alloy-MMCs. The potential of the concept will be discussed for other non-ferrous matrices (e.g. Zn, Cu alloy) too. The challenge of this pre-competitive project is to explore and consolidate a new technological direction in engineering of diatom-reinforced MMC. The project consortium with Fraunhofer IKTS, Białystok University of Technology and industrial partners have the competence to fulfil the requirements of the project on materials technologies and characterization. Each partner contributes to the value chain of the project with own expertise, access to advanced materials processing and characterization equipment. Fraunhofer IKTS is recognized in the field of material characterisation and nanoanalytics, the Faculty of Mechanical Engineering is recognized metal physics, engineering and processing as well as advanced microscopy and mechanical testing.

Ergebniszusammenfassung:

Im ersten Arbeitspaket zeigte sich, dass die Vermehrung lebender Algen im Labormaßstab zwar für Strukturuntersuchungen ausreicht, aber für die Massenproduktion von diatomeenverstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoffen weitaus umfangreichere Algenreaktoren notwendig sind. Daher wurde im Projekt auf die in großem Maßstab verfügbaren fossilen Kieselalgen zurückgegriffen und ein Siebverfahren entwickelt, um den Anteil intakter Zellhüllen zu erhöhen und untrennbare Agglomerate sowie kleine Bruchstücke zu entfernen.

Im zweiten Arbeitspaket wurden die Mikrostrukturen verschiedener Kieselalgen (aus Kulturen und aus fossilen Quellen) mit modernen Techniken der 3D-Bildgebung umfangreich untersucht. Dazu wurde in Dresden eine neue Routine zur Datenauswertung nanotomographisch erzeugter Daten eingeführt ("Abrollen" einer zylindrischen Wand und Ermittlung von Abstand und Winkel der Porenanordnung mittels Fourieranalyse).

Es wurden zahlreiche in-situ Experimente in Dresden durchgeführt, um die Kieselalgen mechanisch zu charakterisieren und Kenndaten zur Weiterverarbeitung zu ermitteln.

Im dritten Arbeitspaket wurden Hybrid-/Verbundmaterialien hergestellt. Dieses Ziel konnte leider nur teilweise erreicht werden.

Im vierten Arbeitspaket wurden ein Workflow für die Werkstoffsimulation erarbeitet.

Insgesamt konnte gezeigt werden, dass Kieselalgen herausragende mechanische Eigenschaften haben, die zur Verstärkung von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen bestens geeignet sind. Erste Probekörper solcher Verbundwerkstoffe konnten hergestellt werden. Zur Nutzung und Anwendung des in diesem Projekt entwickelten neuartigen Werkstoffsystems ist weitere Forschung und Entwicklung nötig, um das Herstellungsverfahren zu optimieren und so industriell nutzbar zu machen.