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Eine Metallbeschichtung, die sich selbst repariert
Nicht korrodierende Flugzeuge, Autos und Schiffe versprechen selbstheilende Lacke und Polymermaterialien . Jetzt Forscher an der Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung und der Universität Duisburg-Essen in Deutschland haben eine Metallbeschichtung entwickelt, die sich nach einer Beschädigung möglicherweise selbst reparieren kann.
Heilende Blasen : Winzige, mit Flüssigkeit gefüllte Kapseln mit einer Breite von einigen hundert Nanometern sind in einer dünnen galvanisierten Metallschicht verteilt. Die Kapseln könnten mit Polymeren gefüllt werden, um Metallbeschichtungen herzustellen, die sich selbst reparieren.
Das selbstheilende Metall kann galvanisiert werden, was Anwendungen im Bauwesen, im Automobilbau und in anderen Industrien eröffnet, die Stahlmaschinen verwenden oder herstellen. (Muttern, Bolzen und Schrauben aus korrosionsanfälligem Stahl sind bereits mit rostfreien Metallen wie Zink und Chrom galvanisiert.)
Die neue Beschichtung ist rund 15 Mikrometer dick und enthält Polymerkapseln mit einigen hundert Nanometern Durchmesser. Wenn die Beschichtung zerkratzt wird, sollten die Kapseln platzen und ihren Inhalt freisetzen – das kann ein Polymer sein, das den Riss versiegeln kann, oder korrosionshemmende Flüssigkeiten.
Bisher haben die Forscher Nanokapsel-infundierte Beschichtungen aus Metallen oder Legierungen wie Kupfer, Zink und Nickel hergestellt. Prinzipiell sollten sie aus jedem galvanisierbaren Metall hergestellt werden können, sagt Harald Holeczek, Fraunhofer-Forscher, der an der Arbeit beteiligt war.
Obwohl Holeczek und seine Kollegen die Selbstheilungseigenschaft des Materials noch nicht nachgewiesen haben, ist es wichtig, flüssigkeitsgefüllte Nanokapseln in galvanische Schichten einbringen zu können, sagt Michael Kessler , Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften an der Iowa State University. Dies sei die erste selbstheilende Beschichtung, die galvanisiert werden kann, sagt er. Der Vorteil besteht darin, dass das Galvanisieren ein weit verbreitetes industrielles Verfahren ist.
Die Flüssigkeit im Inneren der Nanokapseln könnte auf verschiedene Zwecke zugeschnitten werden. Beispielsweise könnten Kapseln in der Beschichtung von Kugellagern mit Mineralölen gefüllt werden, um die Lager selbstschmierend zu machen. Kapseln, die mit farbigen Flüssigkeiten oder Duftölen gefüllt sind, können Metallteile bilden, die ihre Farbe ändern oder einen Geruch abgeben, wenn sie beschädigt werden. Besser noch, mehrere verschiedene Arten von Kapseln könnten in eine Metallschicht eingearbeitet werden, sagt Holeczek. Zum Beispiel kann es möglich sein, Farbe oder Duft in einer oberen Schicht zu verwenden, um Abnutzung oder Beschädigung anzuzeigen, und einen Hemmstoff in einer tieferen Schicht zu verwenden, um schwere Schäden zu verhindern.
Beim Galvanisieren wird ein Strom durch eine Elektrolytlösung geleitet, die positive Metallionen enthält. Das zu beschichtende Objekt wird negativ geladen und in den Elektrolyten getaucht. Die positiven Ionen werden von der negativen Oberfläche angezogen, wodurch eine dünne Metallschicht entsteht.
Die Fraunhofer-Forscher stellen die Nanokapseln separat her, bevor sie sie einer Elektrolytlösung zufügen. Es war jedoch nicht einfach, Kapseln herzustellen, die den Galvanikprozess überstehen – die aggressiven Elektrolyte können die Kapseln leicht abbauen, sagt Holeczek. Darüber hinaus neigen die sehr kleinen Kapseln dazu, aneinander zu kleben, sobald sie in ein wässriges Medium eingebracht wurden. Um dies zu verhindern, mussten die Forscher der Elektrolytlösung und den Kapseln selbst eine proprietäre Mischung von Chemikalien hinzufügen.
Dadurch können die Nanokapseln in die dünne Beschichtung integriert werden, ohne deren Härte und andere mechanische Eigenschaften zu beeinträchtigen, sagt Holeczek. Sie verteilen sich auch gleichmäßig durch die Metallschicht, wodurch sich die Kapseln auch bei geringfügigen Beschädigungen besser öffnen.
Paul Braun , Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der University of Illinois in Urbana-Champaign, hat ein Mikrokapsel-Heilsystem entwickelt, das einer breiten Palette von Farben und Schutzbeschichtungen zugesetzt werden kann und jetzt auf den Markt kommt. Er sagt, dass zu kleine Kapseln den Zweck zunichte machen könnten: Wenn Sie einen 15 Mikrometer breiten Kratzer haben, können Sie nicht genug Material freisetzen, um die Rissebene zu füllen.
Wenn die Forscher jedoch die geeignete Chemie entwickelt haben, um zu zeigen, dass das Material sich selbst heilen kann, könnten sich laut Braun ganz neue Möglichkeiten eröffnen.