Kategorie: Werkstofftrends

Dr. Diana Freudendahl, Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner

Das größte Organ des Menschen, die Haut, besitzt eine außergewöhnliche Bandbreite an Eigenschaften. Einerseits ist sie so empfindlich, dass sie einen leichten Lufthauch oder verschiedenste Oberflächen erkennen kann, andererseits ist sie so widerstandsfähig, dass sie den Körper vor Schäden oder Erregern schützt. Hinzu kommen weitere Aufgaben wie das Messen der aufgebrachten Kraft beim Fassen von Gegenständen oder die Überwachung der Körperbewegungen. Anhand dieses biologischen Vorbilds wird nun vermehrt an Haut-inspirierten Oberflächen mit integrierter Elektronik geforscht, die solche, aber auch weitere Eigenschaften aufweisen, wie z. B. chemische Sensoren. Weiterlesen

Dr. Diana Freudendahl, Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff

Innovative Lösungen zur Verwirklichung der Energiewende sind fortwährend gefragt, wobei insbesondere mit der Photovoltaik bereits 5,3% des Nettostromverbrauchs in Deutschland gedeckt werden (Stand 2012). Damit gilt sie als äußerst zukunftsträchtige Technologie. Silizium- und andere Halbleiter-basierte Solarzellen zeigen mittlerweile sehr gute Wirkungsgrade (um die 20%) und sind bereits seit Jahren im Massenmarkt vertreten. Parallel dazu werden aktuell zudem enorme Fortschritte bei der Entwicklung organischer Photovoltaik (OPV) erzielt, einer Dünnschichttechnologie der 2. Generation. Dabei werden kleine organische Moleküle oder Polymere, die Halbleitereigenschaften aufweisen, für die Energiegewinnung genutzt. Die sehr leichten und flexiblen OPV-Zellen können mit einem vergleichsweise geringen Energieaufwand gefertigt werden, wobei die für die Herstellung benötigen Produktionsanlagen in der Regel keine aufwändige Infrastruktur benötigen. Weiterlesen

Dr. Diana Freudendahl, Dr. Ramona Langner, Stefan Reschke

Neben anorganischen 2D-Materialien wie Graphen, Bornitrid und Molybdändisulfid wird auch seit über einem Jahrzehnt an zweidimensionalen organischen Strukturen geforscht. Die Bezeichnung „2D-Polymere“ wurde lange nicht klar definiert und beinhaltet z.B. lineare Polymerisierungsprodukte an Grenzflächen, unregelmäßig verknüpfte Polymere an Oberflächen oder mehrlagige Schichten in Polymerkristallen, teilweise ohne die für klassische Kunststoffe typische periodische Wiederholung von klar definierten Einheiten (Monomeren). Eine eingeschränktere Definition beinhaltet nur solche Materialien, die eine räumlich-periodische Wiederholung der Monomere aufweisen und deren Schichten als Einzelschichten beispielsweise aus Polymerkristallen isoliert werden können. Dabei ist die Schichtdicke abhängig von der Größe der Monomeren. Es ist anzunehmen, dass das Anwendungsspektrum dieser synthetischen zweidimensionalen Werkstoffe letztlich breiter sein wird als beispielsweise das des Graphens, da sowohl die Möglichkeit der nachträglichen Modifizierung als auch eine gezielte Herstellung von Monomeren mit bestimmten Eigenschaften möglich ist. Weiterlesen

Dr. Diana Freudendahl, Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff, Stefan Reschke

Biokunststoffe erobern in den letzten Jahren langsam aber stetig den Markt. Einer der bekanntesten Werkstoffe in dieser Gruppe ist Polymilchsäure (PLA, Polylactic acid), die neben Stärkeblends, Celluloseestern und Polyhydroxyalkanoaten (PHA) mittlerweile einen festen Platz im Kunststoffmarkt hat. PLA sind biobasierte und bioabbaubare/kompostierbare Polyester, die aus Milchsäure produziert werden und in zwei stereochemischen Formen auftreten bzw. als deren Gemisch vorliegen. Die Polymere wurden erstmals 1845 beschrieben, aber erst etwa 90 Jahre später konnte ein Herstellungsverfahren entwickelt werden, bei dem Polymilchsäure aus Milchsäuremolekülen synthetisiert werden konnte. Die Eigenschaften der verschiedenen reinen PLA-Copolymere variieren je nach stereochemischer Zusammensetzung. Die monomere Milchsäure und das Dimer (Lactid), ein ringförmiger Zusammenschluss von zwei Milchsäuremolekülen, können synthetisch oder durch Fermentation gewonnen werden. Die biobasierte Produktion durch fermentative Milchsäuregärung überwiegt dabei bei weitem mit einem Produktionsanteil von ca. 90%. Die polymere Milchsäure wird hauptsächlich durch die Reaktion der Lactiden durch Ring-Öffnende- Polymerisation (ROP) erhalten. Dies führt zu höhermolekularem PLA als der Einsatz der freien Säure, da bei dieser Reaktion Wasser als Nebenprodukt auftritt und durch eine aufwändige Destillation aus dem Reaktionsgemisch entfernt werden muss. Weiterlesen

Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff

Unter LTCC-Keramik versteht man keramische Formkörper, die durch Sintern bei relativ niedrigen Temperaturen, in der Regel zwischen 800°C und 1000°C, aus einer oder mehreren verschiedenen keramischen Zusammensetzungen hergestellt werden. Üblicherweise handelt es sich bei diesen Werkstoffen um kristallisierbare Gläser (Glaskeramiken) oder Mischungen aus solchen mit Keramiken, die meist als Pulverschlicker oder -pasten in dünnen Schichten von je 50 bis ca. 500 Mikrometern Dicke ausgebracht und übereinander gestapelt werden. Neben Strukturwerkstoffen wie Aluminiumoxid, Cordierit oder Siliziumdioxid werden auch Funktionswerkstoffe wie Piezoelektrika eingesetzt. Bauteile aus LTCC-Keramik finden überwiegend in Mikro- und Mesosystemtechnik Anwendung. Weiterlesen

Dr. David Offenberg, Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff, Stefan Reschke

Der Laser ist seit Jahren ein etabliertes Werkzeug zur Materialbearbeitung in der industriellen Fertigung und in medizinischen Anwendungen. Bei kontinuierlich emittierenden Lasern und gepulsten Lasern mit Pulsdauern im Mikro- bis Nanosekundenbereich beruht der Materialabtrag in der Regel auf einer starken Erwärmung des absorbierenden Materials, das erst schmilzt und schließlich verdampft. Bei Ultrakurzpulslasern mit Pulsdauern im Bereich von Pikosekunden bis Femtosekunden hingegen erfolgt bei ausreichender Fokussierung ein direkter Phasenübergang des Materials ins Gasförmige. Dadurch bleiben Materialaufschmelzung, Gefügeveränderungen, Phasenumwandlungen und thermische Spannungen im Werkstück auf einen Bereich von wenigen Nanometern begrenzt. So sind Ultrakurzpulslaser nicht nur ein Schlüssel zur Ultrapräzisionsbearbeitung, sondern sie bieten auch völlig neue Möglichkeiten bei der Bearbeitung temperaturempfindlicher Materialien wie z.B. Polymere, metallische Gläser oder menschliches Gewebe. Weiterlesen