Materialen die uit een composiet van nanodeeltjes bestaan, zijn dichter en harder dan materialen uit grotere deeltjes. Een nieuw fabricageproces zorgt er voor dat de fijnkristallijne structuren ook bij de verdere verwerking behouden blijven. Onderzoekers van Fraunhofer-IFAM werken aan onderdelen uit aluminium met een nanostructuur.
Aluminium is licht, maar buigt ook snel. Heeft het echter een nanometerfijne structuur dan vertoont het andere eigenschappen: het is stabieler en dichter. Zo is het uitermate geschikt voor aluminium bouten in motoren, die bestand moeten zijn tegen hoge temperaturen. Ook voor lichtgewicht onderdelen is het materiaal uiterst geschikt, want hoe steviger het materiaal, des te dunner kan het plaatwerk zijn. Voor de genoemde eigenschappen is de geringe kristalgrootte doorslaggevend: ze zijn beduidend kleiner dan bij de gebruikelijke materialen.
De structuur van aluminium met een conventionele structuur (links) en van aluminium met een normale structuur.
Uitdaging
Zo ligt er ook een uitdaging bij de verwerkingen van nanomaterialen tot gereedschappen of onderdelen: bij het persen of vormen moet het materiaal worden verwarmd. De kristallen groeien waardoor het materiaal zijn nano-eigenschappen verliest. Onderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik en Angewandte Materialforschung (IFAM) in Dresden zijn de uitdaging aangegaan. Het doel is om de fijnkristallijne structuur tijdens het gehele productieproces vast te houden.
De onderzoekers hebben een speciale technologieketen opgebouwd. Als voorbeeld dient de productie van aluminium met nanostructuren. De onderzoekers stellen eerst een speciale aluminiumlegering samen. Het gesmolten metaal moet zeer snel worden afgekoeld, praktisch bevroeren. Daarvoor gebruiken ze het zogenaamde ‘melt spinning’-proces.
Een zelf ontwikkelde spuitinrichting giet de smelt op een watergekoelde roterende rol en produceert regelmatige, slechts enkele micrometers dunne stroken, flakes genoemd. Op de rol daalt de temperatuur van het smelt zeer snel en stolt met hoge snelheid. Het systeem is geschikt voor meerdere kilo’s materiaal en doorstaat temperaturen boven 1700 °C.
Na het stollen worden de flakes in de gewenste vorm geperst. Daarbij mogen geen fijnkristallijne structuren verloren gaan. Hiervoor gebruiken de onderzoekers het boogplasmasinteren: hoogfrequente stroompulsen binnen in de pers verdichten het materiaal in zeer korte tijd, zodat de fijne microstructuur behouden blijft.
Toepassing
De toepassing van de nanomaterialen reikt van licht aluminium onderdelen met verbeterde stijfheid, slijtage- en corrosiebestendigheid , via de opslag van waterstof en energieopwekking met thermo-elektrische materialen tot de elektrotechniek.
