Materialwissenschaft: Kompositmaterial ist steifer als Diamant
Eine deutsch-amerikanische Forschergruppe hat ein Kompositmaterial entwickelt, dessen Steifigkeit auch bei statischer Belastung die von Diamant weit übersteigt. Die Steifigkeit beschreibt über die Elastitizitätskoeffizienten die Verformung eines Körpers unter mechanischer Spannung.
Das Material, das von Timothy Jaglinski, Roderic Lakes und ihren Kollegen hergestellt und analysiert wurde, besteht aus relativ weichem Zinn mit kleinen Einschlüssen von Bariumtitanat [1]. Diese Verbindung zeigt je nach Temperatur drei verschiedene Kristallstrukturen mit unterschiedlichem Volumen. Eingebettet in die Zinn-Matrix können sich die Bariumtitanat-Einschlüsse bei Erhitzung jedoch nur begrenzt ausdehnen und sorgen so für die hohe Steifigkeit des Komposits. Steifer als Diamant ist das neue Material aber nur bei Verbiegung, nicht bei Verdrehung, und nur über einen engen Temperaturbereich bei knapp sechzig Grad Celsius.
Die außergewöhnliche Stabilität des Kompositmaterials basiert auf der negativen Steifigkeit des verwendeten Bariumtitanats. Gewöhnliche Materialien besitzen eine positive Steifigkeit: ein Körper wird in Richtung der angelegten Kraft verformt und drückt dagegen. In Substanzen gespeicherte Energie kann aber zu einer Umkehrung dieses Zusammenhangs führen – drückt man diese, so zerlegen sie sich in ihre Einzelteile oder fallen in sich zusammen. Solche Materialien mit negativer Steifigkeit sind ohne äußere Stabilisierung sehr empfindlich gegen kleinste Störungen.
Die mathematische Theorie hinter den Experimenten stammt von Walter Drugan, der gezeigt hat, wie Substanzen mit positiver und negativer Steifigkeit zu extrem stabilen Materialien kombiniert werden können, die auch bei statischer Belastung standhalten [2]. Ein Komposit aus gewöhnlichen Materialien mit positiver Steifigkeit kann dagegen keine größere Gesamtsteifigkeit erreichen als die einzelnen Komponenten.
Drugan und Lakes arbeiten schon seit einigen Jahren gemeinsam an diesem Problem. Die ursprüngliche Idee wurde bereits 2001 veröffentlicht, 2002 konnten sie erstmals die Stabilität eines Komposits sowohl theoretisch als auch experimentell nachweisen, allerdings nur unter einer weniger anspruchsvollen veränderlichen Belastung.
Die Steifigkeit ist nicht zu verwechseln mit der Festigkeit, der maximalen Belastbarkeit bis zum Bruch, oder der Härte, der Widerstandsfähigkeit gegen das Eindringen eines anderen Körpers. Hier bleibt der Diamant weiterhin überlegen. (vs)
Das Material, das von Timothy Jaglinski, Roderic Lakes und ihren Kollegen hergestellt und analysiert wurde, besteht aus relativ weichem Zinn mit kleinen Einschlüssen von Bariumtitanat [1]. Diese Verbindung zeigt je nach Temperatur drei verschiedene Kristallstrukturen mit unterschiedlichem Volumen. Eingebettet in die Zinn-Matrix können sich die Bariumtitanat-Einschlüsse bei Erhitzung jedoch nur begrenzt ausdehnen und sorgen so für die hohe Steifigkeit des Komposits. Steifer als Diamant ist das neue Material aber nur bei Verbiegung, nicht bei Verdrehung, und nur über einen engen Temperaturbereich bei knapp sechzig Grad Celsius.
Die außergewöhnliche Stabilität des Kompositmaterials basiert auf der negativen Steifigkeit des verwendeten Bariumtitanats. Gewöhnliche Materialien besitzen eine positive Steifigkeit: ein Körper wird in Richtung der angelegten Kraft verformt und drückt dagegen. In Substanzen gespeicherte Energie kann aber zu einer Umkehrung dieses Zusammenhangs führen – drückt man diese, so zerlegen sie sich in ihre Einzelteile oder fallen in sich zusammen. Solche Materialien mit negativer Steifigkeit sind ohne äußere Stabilisierung sehr empfindlich gegen kleinste Störungen.
Die mathematische Theorie hinter den Experimenten stammt von Walter Drugan, der gezeigt hat, wie Substanzen mit positiver und negativer Steifigkeit zu extrem stabilen Materialien kombiniert werden können, die auch bei statischer Belastung standhalten [2]. Ein Komposit aus gewöhnlichen Materialien mit positiver Steifigkeit kann dagegen keine größere Gesamtsteifigkeit erreichen als die einzelnen Komponenten.
Drugan und Lakes arbeiten schon seit einigen Jahren gemeinsam an diesem Problem. Die ursprüngliche Idee wurde bereits 2001 veröffentlicht, 2002 konnten sie erstmals die Stabilität eines Komposits sowohl theoretisch als auch experimentell nachweisen, allerdings nur unter einer weniger anspruchsvollen veränderlichen Belastung.
Die Steifigkeit ist nicht zu verwechseln mit der Festigkeit, der maximalen Belastbarkeit bis zum Bruch, oder der Härte, der Widerstandsfähigkeit gegen das Eindringen eines anderen Körpers. Hier bleibt der Diamant weiterhin überlegen. (vs)
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