Smarter Stahl soll Bauwerke vor Erdbeben und anderen Risiken schützen

Smarte Materialien wie Formgedächtnislegierungen werden bislang überwiegend in Form von kleinen Bauteilen eingesetzt, wo sie z. B. in der Biomedizintechnik in Form von Gefäßstützen, sogenannten Stents, bereits vielen Menschen das Leben retten. Eine Nutzung der einzigartigen Möglichkeiten dieser Legierungen ist auch für viele weitere Branchen attraktiv. Von der Luftfahrt über die Automobilbranche bis in den Bereich des Bauwesens gibt es bereits eine Vielzahl von Anwendungsideen. Die Kosten der bisher verfügbaren Legierungen sind jedoch für einen kostenrationellen Einsatz in diesen Branchen zumeist zu hoch. „Stähle, wissenschaftlich korrekter ausgedrückt Eisenbasis-Legierungen, mit Formgedächtniseffekt sind hier eine vielversprechende Alternative zu den bestehenden Legierungen, da sie kostengünstig herzustellen sind“, so der Werkstoffwissenschaftler Prof. Dr.-Ing. Thomas Niendorf von der Universität Kassel. In einem seiner durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft geförderten Forschungsprojekte, federführend bearbeitet durch seinen Mitarbeiter Malte Vollmer, wurden die neue Legierung und der zugrundeliegende Prozess zusammen mit Kollegen der TU Bergakademie Freiberg und des IFW Dresden entwickelt. Die Ergebnisse wurden nun in der neuesten Ausgabe des renommierten Forschungsjournals Nature Communications veröffentlicht.

Den Forschern gelang es über geeignete chemische Modifikationen eine dieser Legierungen für neue Anwendungen im Bauwesen zu qualifizieren. Sie verwendeten als Basis eine Eisen-Legierung, die bereits smarte Eigenschaften, das sogenannte pseudoelastische Verhalten, zeigte, jedoch dies allein in der Form kleiner Laborproben. Durch neue Legierungszusätze und eine angepasste Prozesskette stellen sie die Legierung nun so geschickt ein, dass die bisherigen Limitierungen in der Bauteilgröße überwunden sind. Ergebnis ist die weltweit größte einkristalline Struktur, die in einem smarten Stahl realisiert wurde, ein Durchbruch auf dem Weg zum industriellen Einsatz.

„Anwendungen im Bauwesen werden hiervon erheblich profitieren. Der smarte Stahl wird es erlauben, Brücken und Bauwerke in gefährdeten Regionen vor Schädigung und Zerstörung durch Erdbeben oder auch durch hohe Verkehrslasten zu schützen“, ist sich Prof. Niendorf sicher. „Wesentlich ist ihr erhebliches pseudoelastisches Dämpfungsvermögen, das die Lasten entsprechender kritischer Ereignisse deutlich reduziert und so die Bauwerke schützt und Menschenleben retten kann." Es laufen bereits intensive Gespräche mit den Kasseler Kollegen des Bauingenieurwesens, das neue smarte Material zielgerichtet einzusetzen. Mit dem Projekt SmartCon unter Federführung von Prof. Dr. Bernhard Middendorf (Fachbereich Bauingenieurwesen) ist bereits ein weitergehendes Forschungsprojekt initiiert. Niendorf sieht in dem neuen smarten Material ein enormes Potenzial für die deutsche Wirtschaft: „Von Verbindungselementen für den Holz- und Massivbau bis zu Bewährungselementen für Betonbauten ist der Einsatz denkbar. Die deutsche Stahlbranche setzt auf hochspezialisierte Stahlgüten, die Baubranche setzt ebenfalls auf hochentwickelte Baustoffe wie z. B. ultrahochfeste Betone. Ein hohes Interesse dieser in Deutschland wichtigen Branchen ist offensichtlich“

Formgedächtnislegierungen basieren auf einer sogenannten martensitischen Umwandlung, welche vollständig reversibel ist. Nach einer Verformung kehren sie bei Erwärmung in ihre alte Form zurück, was ihnen ihren Namen verliehen hat. Die Suche nach neuen Formgedächtnislegierungen gehört zu den Forschungsschwerpunkten von Prof. Dr.-Ing. Thomas Niendorf. Er hat seit 2015 eine Professur für Metallische Werkstoffe an der Universität Kassel inne. Neben den Formgedächtnislegierungen forscht er an Gegenständen aus dem 3D-Drucker, in beiden Fällen ist die Bewertung der Eigenschaften und der Zuverlässigkeit der realisierten Werkstoffe wesentlicher Bestandteil der Forschung seines Teams.

Originalartikel:
www.nature.com/articles/s41467-019-10308-8

Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Thomas Niendorf
Universität Kassel
Institut für Werkstofftechnik
Fachgebiet Metallische Werkstoffe
Tel.: 0561 804 7018
E-Mail: niendorf[at]uni-kassel[dot]de