Offenporige, nanobeschichtete Hybrid-Metallschäume : Herstellung und mechanische Eigenschaften

Abstract

Durch die wachsende Weltbevölkerung und den steigenden Wohlstand, besteht ein steigender Energie- und Materialbedarf, der zu einer Verknappung der Rohstoffe führt. Damit der Wohlstand für zukünftige Generationen gesichert werden kann, kommt der ressourceneffizienten Nutzung von anwendungsoptimierten Materialien eine immer größere Bedeutung zu. Dies ist nicht nur aus Gründen der Nachhaltigkeit der Fall, sondern auch aufgrund der damit verbundenen Kostenersparnis und Wettbewerbsvorteilen. Zelluläre Materialien wie Metallschäume stellen ein solches innovatives Material dar, das v.a. im konstruktiven Leichtbau und als Absorber kinetischer Energien eingesetzt wird. Durch ihre besondere Mikrostruktur weisen diese Materialien gegenüber nicht porösen Metallen ein spezielles, sehr komplexes Materialverhalten auf. Die vorliegende Arbeit zielt auf die Verstärkung bestehender offenporiger Metallschäume durch eine metallische, nanokristalline Beschichtung und eine Stärkung des Multifunktionalitätspotentials in Kombination mit einer Füllung der Schäume. Es wird zunächst ein Elektrodepositionsverfahren zur Beschichtung entwickelt und die Beschichtung in entsprechenden Experimenten in Bezug auf das Energieabsorptionsvermögen unter quasistatischen und dynamischen Belastungen optimiert. Auf der Basis der dabei erhaltenen Ergebnisse wird ein theoretisches Modell zur Stofftransportlimitierung in porösen Elektroden und ein qualitatives, phänomenologisches Modell zur Beschreibung des Materialverhaltens entwickelt.

In consequence of the growing world population and the increasing affluence there are increased requirements of energy and material those lead to a scarcity of resources. To save this affluence for future generations the resourceefficient usage of application optimized materials becomes important. This is not only for reason of sustainability but also of cost saving and competitive advantages. Cellular materials like metal foams are such an innovative material. They are used for lightweight constructions and as energy absorber. In contrast to non-porous metals cellular materials show a special and very complex material behaviour based on their special microstructure. The present work aims for the strengthening of existing open-cell metal foams by a metallic, nanocrystalline coating and the increase of the multifunctionality of the foams in combination with a filling. First, an electrodeposition process for the coating of metal foams is developed and the coating is optimized in appropriate experiments in relation to the energy absorption capacity under quasi-static and dynamic loadings. Based on the results, a theoretical model for the mass transport limitation in porous electrodes and a qualitative, phenomenological model for the description of the material behaviour are developed.