Materialwissenschaft
Von der Luft- und Raumfahrt bis zu Hausanwendungen: Fortschrittliche auxetische Messstreifen bereit für den breiten Einsatz
Auxetische Materialien unterscheiden sich von klassischen Materialien dadurch, dass sie negative Poisson‑Verhältnisse aufweisen. Mit anderen Worten, unter der Zugkraft, die in Längsrichtung wirkt, dehnen sich auxetische Materialien in der senkrechten Querrichtung aus.
Wissenschaftler suchen weiterhin nach auxetischen Eigenschaften in Materialien. Kürzlich hat Noah Stocek, ein Doktorand, der mit dem Western‑Physiker Giovanni Fanchini, entwickelt ein solches Nanomaterial.
Zweidimensionale auxetische Nanoschichten
Beide Wissenschaftler arbeiteten am Interface Science Western, um 2‑D‑Nanoschichten aus Wolfram‑Halbcarbid, auch bekannt als W2C, zu entwickeln. Dabei handelt es sich um chemische Verbindungen, die gleiche Anteile von Wolfram‑ und Kohlenstoffatomen enthalten. In Übereinstimmung mit den Eigenschaften auxetischer Materialien dehnen sich diese Nanomaterialien senkrecht zur aufgebrachten Kraft, wenn sie in eine Richtung gedehnt werden.
Die Entwicklung ist bedeutend, weil es erst das zweite Material ist, das sich wesentlich in einer Weise ausdehnt, die dem klassischen Material entgegengesetzt ist. Zuvor gab es nur ein gemeldetes Material, das sich paradox um 10 % pro Längeneinheit ausdehnen konnte. Das vorliegende Nanomaterial, das Wolfram‑Halbcarbid‑Nanosheet, kann um 40 % expandieren. Das ist ein neuer Weltrekord. Während er die Errungenschaft dieser Entwicklung erklärte, sagte Stoeck:
“Im Jahr 2018 sagten Theoretiker voraus, dass es dieses Verhalten auf hervorragendem Niveau zeigen könnte, aber niemand war in der Lage, es zu entwickeln, trotz umfangreicher Versuche von Forschungsgruppen auf der ganzen Welt.”
Um genauer zu erläutern, was Stoeck und Fanchini entwickelt haben, berichteten sie wissenschaftlich und experimentell über ein ad‑hoc entworfenes Dual‑Zonen‑Fernplasma‑Abscheidesystem, das Wolframkarbide außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts mit gut abgestimmten Verhältnissen von W‑ und C‑Vorläufern erzeugen konnte. Die Forschung hob die spezifischen Bedingungen hervor, unter denen dieses System die Synthese von wenigen‑lagigen Wolfram‑Halbcarbid‑Flocken (FL‑W2C) ermöglichte. Diese Flocken waren zweidimensional, da sie ihre Periodizität auf mesoskopischer Ebene in einem Stranski‑Krastanov‑Wachstumsprozess beibehalten konnten.
Ein neuartiger Wechsel von chemischen Methoden zur Plasmaphysik
Das Entwickler‑Duo stellte bereits in einem sehr frühen Stadium ihres Prozesses fest, dass es unmöglich sei, ein neues Wolfram‑Halbcarbid‑Nanomaterial mit chemischen Mitteln zu konstruieren. Daher wechselten sie zur Plasmaphysik, mit dem Ziel, Schichten aus einzelnen Atomen zu bilden.
Um die Entwicklung des Nanomaterials mittels Plasmaprozessen voranzutreiben, verzichtete das Entwickler‑Duo auf den herkömmlichen Weg, spezielle Öfen zu nutzen, in denen Gase bei hoher Temperatur erhitzt werden, um chemisch zu reagieren und die Substanz zu bilden. Sie entwickelten ein neues, maßgeschneidertes Instrumentensystem zur Plasmeerzeugung, das elektrisch geladene Teilchen enthält.
Anwendungen des neu entwickelten Nanomaterials
Eine der nützlichsten potenziellen Anwendungen dieser Nanoschichten könnte ein radikal neuer Typ von Dehnungsmessstreifen sein. Diese Messstreifen könnten die Ausdehnung auf sehr effektive Weise messen und sich in allem erstrecken, von Flugzeugflügeln bis hin zu Hausinstallationen.
Da diese Materialien stärker elektrisch leitfähig sind, können sie in Sensoren oder Geräten eingesetzt werden, um Veränderungen und Verschiebungen in der Umgebung zu erkennen. Nicht nur können sie diese Veränderungen detektieren, sondern aufgrund ihrer ‘Sensor’-Fähigkeiten können sie auch Informationen an andere Elektronik weiterleiten.
Während er eine der möglichen Anwendungen erläuterte, sagte Stoeck:
“Stellen Sie sich vor, Sie möchten wissen, ob ein Rohr in Ihrem Haus sich verformt und irgendwann platzen könnte. Sie können einen Sensor aus diesem zweidimensionalen Nanomaterial auf das Rohr kleben und dann einen Computer verwenden, um den durchfließenden Strom zu überwachen. Wenn der Strom steigt, bedeutet das, dass das Rohr sich ausdehnt und Gefahr läuft zu platzen.”
In Zukunft wird die weitere Entwicklung der auxetischen Eigenschaften eines Materials definitiv zu neuen Lösungen führen. Derzeit sind Unternehmen wie Michigan Scientific Corporation und Omega stark in der Herstellung und Entwicklung von Dehnungsmessstreifen engagiert. Diese Unternehmen könnten beginnen, diese Entwicklung und das daraus produzierte Nanomaterial zu nutzen, um ihr Produkt‑/Lösungsportfolio zu erweitern.
#1. Omega
Omega, eine Marke von DwyerOmega, kann das Nanomaterial nutzen, um seine robuste und vielfältige Produktpalette an Dehnungsmessstreifen weiter zu erweitern. Seine Membran‑Dehnungsmessstreifen können Dehnung und Spannung in einer Vielzahl von Anwendungen messen, einschließlich Druck, Kraft, Verformung und Dehnung in Metallen, Kunststoffen und Verbundwerkstoffen. Die Produktlinie der dualen Parallel‑Dehnungsmessstreifen hilft, Biegebeanspruchungen zuverlässig in verschiedenen Anwendungen zu messen.
Omega verfügt außerdem über Torsions‑ und Scher‑Dehnungsmessstreifen, lineare Dehnungsmessstreifen, T‑Rosetten‑Dehnungsmessstreifen und Rosetten‑Dehnungsmessstreifen. Durch enge Toleranzen für einfachere Ausrichtung bieten Omegas Messstreifen zuverlässige Leistung und langfristige Stabilität. Seine Voll‑Bridge‑ und Halb‑Bridge‑Dehnungsmessstreifen zeigen hervorragende Linearität über einen weiten Temperaturbereich.
Seine T‑Rosetten‑Dehnungsmessstreifen können die Auswirkungen von Temperatur, Belastung und Vibration auf Bauteile messen. Sie sind besonders nützlich zur Messung von biaxialen Spannungen mit bekannten Hauptrichtungen.
Das Unternehmen ist hervorragend positioniert, entweder eine neue Produktlinie auf Basis auxetischer Messstreifen zu entwickeln oder seine bestehende Produktlinie mit auxetischen Eigenschaften zu erweitern.
DwyerOmega entstand als Marke nach Dwyer Instruments, Inc. stimmte zu, OMEGA Engineering, Inc. von Spectris plc (LSE:SXS) für etwa $530 Millionen am 19. April 2022 zu übernehmen. Dwyer zahlte US$525 Millionen bei einer Bewertung von etwa dem 20,4‑fachen des bereinigten EBITDA von Omega für das Jahr 2021. Im Geschäftsjahr 2021 erzielte Omega einen Umsatz von £129 Millionen ($168 Millionen) und ein bereinigtes EBITDA von £19,7 Millionen ($25,7 Millionen).
#2. Michigan Scientific Corporation
Michigan Scientific Corporation, ein privat geführtes Unternehmen mit Sitz in Charlevoix, Michigan, USA, ist bekannt für ein breites Angebot an Ingenieurdienstleistungen, Produkten und Lösungen. Ein Bereich, in dem dieses Unternehmen diese Entwicklung hervorragend nutzen könnte, ist sein Service für Dehnungsmessstreifen.
Das Unternehmen ist Spezialist für die Konstruktion und Herstellung kundenspezifischer Dehnungsmessstreifen‑Transducer, die in einer Vielzahl von Fällen eingesetzt werden können, einschließlich der Messung von Fahrwerkskräften von Fahrzeugen, Antriebsstrangdrehmomenten, Lenkungsbauteilkräften, Motor- und Motorlasten sowie Bremsdrehmomenten von Fahrzeugen im Feld.
Michegan’s Lösungen umfassen Wellen‑Drehmoment‑Transducer, Kurbelwellen‑Transducer, Scher‑Stift‑Transducer sowie Produkte für die Dehnungsmessung von Halbwellen, Antriebswellen, axiale Kraftmessung und mehr.
Die Instrumentierungsanwendungen dieser Lösungen umfassen die Instrumentierung von Leiterplatten zur Überwachung von Spannungen, die Überwachung von Türplatten thermischer Kammern auf Verformungen während der Fertigung und vollständig instrumentierte industrietaugliche Antriebswellen.Diese Lösungen sammeln und analysieren zudem die aus den jeweiligen Projekten gewonnenen Daten.
Wir haben bereits gesehen, dass die ‘Sensor’-Fähigkeiten neu entwickelter Dehnungsmessstreifen ihren Wert erhöhen. Dies wäre auch ein Mehrwert für Morgan Scientific Corporation, die Dehnungsmessstreifen vor Ort bei Kunden installiert, um die Komponenten des Kunden zu instrumentieren und Daten zu erfassen, die eine Reihe von Test‑ und Entwicklungsaktivitäten unterstützen.
Weitere bedeutende aktuelle Fortschritte bei Auxetika
Auxetika im Hochbau
Laut Berichten, die im International Journal of Protective Structures veröffentlicht wurden, finden auxetische Materialien zunehmend Anwendung in Bereichen des Bauingenieurwesens. Sie könnten mit zementartigen Materialien in einer Vielzahl von Formen kombiniert werden, einschließlich Schaum‑Mörtel‑Komposit, Stoff‑Mörtel‑Komposit und faserverstärktem Zement‑Komposit.
Auxetische Schaumstoffschichten erweisen sich beispielsweise beim Nachrüsten spröder Mauerwerkswände unter Druck als nützlich. Sie erhöhen den Nachfließ‑Verformungs‑Verhärtungseffekt im zementartigen Komposit erheblich.
Auxetische Gewebe bieten höhere Scherstiffigkeit und bemerkenswerte Bruchzähigkeit. Infolgedessen sind diese Verbundstoffe nützlich, um die Herausforderungen der geringen Druckfestigkeit von Auxetic Foam Mortar (AFM) zu überwinden, das eine poröse Struktur und geringe Dichte aufweist.
Der auxetische faserverstärkte Zement‑Komposit löst viele der Nachteile herkömmlicher zementartiger Materialien, einschließlich schlechter Duktilität, unzureichender Zugfestigkeit, und geringer Bruchzähigkeit.
Auxetika in Fasern
Auxetische Fasern können in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt werden, darunter Verbundwerkstoffe, persönliche Schutzausrüstung, Polsterungen, Seile, Kordeln, Fischernetze und vieles mehr. Die Eigenschaften, die auxetische Fasern diesen Anwendungsbereichen verleihen, umfassen Faser‑Auszieh‑Widerstand, Faser‑Bruchzähigkeit, Energieabsorption, Verdichtungs‑ und Eindringungswiderstand, Stoßfestigkeit und mehr.
Auxetika in der Biomedizin
Auxetika können erheblich zu den biomedizinischen Teilsegmenten von Prothesen, chirurgischen Implantaten, Naht‑/Muskel‑/Ligament‑Verankerungen und sogar Dilatatoren beitragen, die während Herzoperationen die Blutgefäße erweitern.
Auxetika zur Verbesserung der Qualität von Piezoelektrika
Elektroden können aus auxetischen Metallen gebaut werden. Diese Elektroden könnten funktionieren, indem sie einen piezoelektrischen Polymer zwischen zwei Schichten legen oder piezoelektrische Keramikstäbe in einer auxetischen Polymermatrix einbetten. Sie besitzen ein erhebliches Verbesserungspotenzial für die piezoelektrische Leistung und können die Empfindlichkeit von Geräten mindestens um das Doppelte und bis zu einem Faktor von hundert steigern.
Einsatz von Auxetika in Filtern
Die Reinigung verstopfter Filter ist mit auxetischem Schaum und Wabelfiltern möglich. Insbesondere helfen die auxetischen Einschlussstoffe, die Filterporen auf eine effektive Größe und Form einzustellen. Sie kompensieren zudem die Auswirkungen des Druckaufbaus in einem verstopften Filter. Ein auxetischer Filter kann die Poren in beide Richtungen öffnen – entlang und quer zur Richtung der Zugbelastung.
Entwurf von auxetischen Materialien auf Abruf
Wie die obigen Abschnitte zeigen, expandiert die Nutzung fortschrittlicher Auxetika schnell und verbreitet sich täglich in neue Anwendungsbereiche. Um dieser Nachfrage gerecht zu werden, haben Forscher bereits wertvolle Studien zum Entwurf von auxetischen Materialien auf Abruf durchgeführt.
Im Jahr 2022, eine Forschung mit dem Titel ‘Ein dreistufiges Rezept für den Entwurf auxetischer Materialien auf Abruf‘ erschien, in der die Forscher ein einheitliches Rahmenwerk etablierten, um bidimensionale perfekte Auxetika zu beschreiben, mit potenziellem Einsatz im Design neuer Materialien.
Die Forschung stützte sich stark auf die natürliche Verbindung zwischen rotierenden starren Einheiten und antiferromagnetischen Spinsystemen. Die Forscher erläuterten zudem die Bedingungen, die das Auftreten eines nicht‑trivialen Floppy‑Modus begünstigen, welcher das auxetische Verhalten verursacht.
Die Forschung wies auf drei Entwürfe für neue Auxetika hin: einen exotischen Kristall, ein Penrose‑Quasikristall und ein lang ersehntes isotropes Auxetikum. Die Studie behauptete, dass die Auxetizität dieser Entwürfe unter kleinen strukturellen Störungen robust bleiben könne, was durch Experimente und numerische Simulationen bestätigt wurde.
Die theoretische Forschung stellte jedes Design durch ein Minimalmodell dar. Diese Modelle basierten auf Polygonen und Federn, die die wesentliche kollektive Reaktion dieser Modelle auf äußere Belastungen erfassen konnten.
Die Forscher hofften, dass diese Modelle direkt simuliert werden könnten, um die Materialeigenschaften zu testen, während Biegekräfte vernachlässigt werden. Ein weiteres bedeutendes Ergebnis der Forschung war die Fähigkeit, das Verhalten von auxetischen Domänenwänden und natürlichen Texturen dieser Systeme zu verallgemeinern, da sie eine Analogie zu magnetischen Systemen aufweisen.
Schließlich behaupteten die an der Forschung Beteiligten, dass sie bahnbrechend sei, da sie die Grundregeln für die Schaffung noch nie zuvor gesehener isotroper perfekter Auxetika festlegen könne. Sie hofften zudem, dass die Forschung Anwendung bei der Herstellung von 3‑D‑polyedrischen Materialien finden könnte.
Klicken Sie hier, um mehr über das Potenzial des nanoskaligen 3D‑Drucks zu erfahren.
Der Weg in die Zukunft für fortschrittliche Auxetika
Es ist jetzt zweifelsfrei bewiesen, dass auxetische Strukturen über die Phase eines einzelnen Designs hinaus zu maßgeschneiderten Lösungen fortgeschritten sind, die eine Vielzahl von Funktionen erfüllen können. Ihre Entwicklung hat unterschiedliche elementare 2‑D‑Muster, Hybridstrukturen und innovative, leistungsorientierte Dimensionserweiterungen hervorgebracht. Zudem hat sich die Liste der Materialien, die auxetische Merkmale enthalten können, erweitert. Die Liste kompatibler Materialien umfasst nun Polymere, Keramiken, Metalle, Biomaterialien, Zement, Textilien und zementartige Verbindungen.
Diversifizierte Strukturmodelle und verallgemeinerte Fertigungsmodelle – beide haben Verbesserungen erfahren, die zum auxetischen Verhalten von Materialien mit hoher Steifigkeit führen. Forscher und Technologen untersuchen zudem die stressumverteilenden Eigenschaften auxetischer Materialien.
Allerdings müssen einige Herausforderungen überwunden werden, damit Auxetika weiter fortschreiten können. Beispielsweise erfordern die Leistung bei Hochgeschwindigkeitsaufprall sowie die Mechanismen von Verformung und Versagen eine genauere Untersuchung. Es ist mehr Arbeit zur Umsetzung von Schlagfestigkeit nötig. Eine angemessene Beachtung dieser Aspekte könnte Auxetika zu einem wissenschaftlichen und technologischen Merkmal mit immensem Wert im Alltag.
