Arbeitsbereich Schäume und Metamaterialien

Schäume und Metamaterialien

Unsere moderne, hochtechnisierte Welt stellt ständig steigende Anforderungen an ihre Werkstoffe. Technische Konstruktionen müssen immer leichter werden, sollen aber dennoch höhere Nutzlasten tragen, umweltverträglich sein und gleichzeitig energie- und ressourcenschonend. Neue Materialien müssen sowohl Multifunktionalität als auch Gewichtsersparnis miteinander vereinen. Die Natur hat dieses Problem in einem Millionen Jahre dauernden Evolutionsprozess durch die Verwendung zellulärer Materialien, wie Knochen, Holz oder Kork gelöst. Die Wissenschaft hat diesen Bauplan der Natur zum Teil bereits übernommen und setzt in vielen Bereichen der Technik Schäume und Wabenstrukturen ein. Diese Materialien vereinen hohe Steifigkeiten bei gleichzeitig geringem Gewicht und sind in der Lage kinetische Energien, wie bei einem Crash, zu absorbieren. Eine relativ neue Klasse solcher Strukturwerkstoffe sind mechanische Metamaterialien wie auxetische oder chirale Strukturen. Während bei Schäumen die poröse Mikrostruktur gegeben ist, wird sie bei Metamaterialien beispielsweise durch additive Fertigungsverfahren gezielt eingestellt, um gewünschte Makroeigenschaften zu erhalten. Zu den bekanntesten Metamaterialien zählen auxetische Strukturen. Während sich nicht-auxetische Materialien quer zur Belastungsrichtung unter Zug zusammenziehen und unter Druck ausdehnen, ziehen sich auxetische Werkstoffe unter Druck zusammen und dehnen sich unter Zug aus. Damit besitzen sie eine negative Querkontraktionszahl.

Die Arbeitsgruppe Schäume und Metamaterialien beschäftigt sich mit der Herstellung, mechanischen Charakterisierung und der Simulation der mechanischen Eigenschaften von Schäumen und auxetischen Metamaterialien. Besonderes Interesse liegt dabei auf der Aufklärung der starken Struktur-Eigenschafts-Beziehung in zellulären Materialien. Dies bedeutet, dass die makroskopischen Eigenschaften stark durch ihre Mikrostruktur, wie die Porengröße und Porengeometrie, die Steggeometrie und Gefügestruktur der Stege sowie eine mögliche Beschichtung beeinflusst werden.