Molekulare Simulationen zur Entwicklung nanoskaliger Verbundwerkstoffe aus Metallen und Kohlenstoff-Nanoteilchen

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Zaiser
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397972581

Aufgrund der starken kovalenten Bindungen gehören Kohlenstoff-Nanoteilchen zu den Materialien mit der größten Festigkeit überhaupt. Wenn es gelingt, solche Teilchen in ein Leichtmetall wie Aluminium fest einzubetten, um einen nanoskaligen Verbundwerkstoff aus Aluminium und Kohlenstoff zu erzeugen, sind sehr beachtliche Festigkeitsgewinne zu erwarten. Dabei wäre es wünschenswert, die Nanoteilchen in der Aluminiumschmelze gleichförmig zu verteilen, um dann nach Erstarrung einen möglichst homogenen Verbund zu erhalten. Allerdings stehen dem zwei Effekte entgegen: Kohlenstoff-Nanoteilchen werden von flüssigem Aluminium nicht gut benetzt, und sie gehen im festen Aluminium an der Grenzfläche nur schwache Bindungen ein. Zugleich haben sie in Schmelzen oder Lösungen eine deutliche Tendenz, sich zusammenzulagern und auszuflocken. Eine Idee, um dieses Problem zu lösen, besteht darin, die Oberfläche der Nanoteilchen mit Metallen wie Nickel oder Platin zu beschichten oder mit sehr kleinen Metallclustern aus diesen Metallen zu dekorieren. Eine solche Modifikation der Oberfläche könnte einerseits die Benetzbarkeit der Nanoteilchen durch Aluminium verbessern und deren Tendenz zur gegenseitigen Agglomeration herabsetzen, und andererseits könnten die an der Oberfläche angelagerten Metallatome als ‚Klebstoff‘ wirken, der die Nanoteilchen fest im erstarrten Aluminium verankert. In unserem Vorhaben wollen wir diese Idee durch molekulardynamische Simulationen untersuchen, bei denen wir die Eigenschaften metalldekorierter bzw. -beschichteter Kohlenstoffnanoteilchen sowohl einzeln als auch in flüssigem und festem Aluminium bestimmen wollen. Ziel ist es, herauszufinden, welche Beschichtungs- bzw Dekorationsparameter zu einer guten Separation der Nanoteilchen in der Schmelze sowie einer guten Einbindung im festen Aluminium führen. Außerdem wollen wir herausfinden, wie die eingebauten Nanoteilchen die Verformungs- und Brucheigenschaften des Aluminiums verändern und auch in dieser Hinsicht optimale Parameter identifizieren. Bei dieser Untersuchung arbeiten wir mit Kollegen in Grossbritannien und China zusammen, die solche Metall-Kohlenstoffysteme experimentell bzw. mit anderen Simulationsmethoden, insbesondere der Dichtefunktionaltheorie untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China, Großbritannien
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Qianqian Li; Professor Mingjun Yang, Ph.D.