Graphen macht Metall-Matrix-Composites noch robuster

Schon in geringen Mengen beigemischtes Graphen verstärkt Titan, Aluminium, Kupfer oder Magnesium signifikant. Die Herstellung ist einfach, dennoch bleiben bis zum Marktdurchbruch noch eine Reihe an Forschungsfragen.

Fast 20 Jahre ist es nun her, dass Konstantin Novoselov und Andre Greim Graphen, ein Material der Superlative fanden – indem sie mithilfe eines Klebebands dünne Schichten aus einem Graphitblock abblätterten. Graphen ist ultrasteif und extrem fest: Ein Elastizitätsmodul von 1 TPa und eine Bruchfestigkeit von 130 GPa sprechen Bände. Dazu kommt eine ausgeprägte Wärmeleitfähigkeit von 5000 W/m·K und die höchste bekannte elektrische Leitfähigkeit von 6000 S/cm. Nebenbei ist Graphen mit einer Dicke von 0,334 nm auch das dünnste Material der Welt.

Was die technische Anwendung von Graphen anbelangt, gibt es allerdings ein Problem: Es ist zweidimensional und besteht aus Kohlenstoffatomen, die in einem ebenen hexagonalen Gitter angeordnet sind. Um sich seine Eigenschaften dennoch zunutze zu machen, lässt es sich in Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe (Metal Matrix Composites, MMC) einbetten. MMCs mit Titan-, Aluminium-, Kupfer- oder Magnesiummatrix kommen bereits in Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und in der Elektrotechnik zum Einsatz. Zugesetztes Graphen steigert die mechanische Leistungsfähigkeit der MMCs dabei noch einmal deutlich. Ein Graphenanteil von gerade einmal 0,3 % vermag das Elastizitätsmodul des MMC dabei um 30 % und die Bruchfestigkeit um 22 % steigern, berichtet Xiaoyi Liu in der Einleitung zum Buch Artikel Nanomechanics of Graphene and Design of Graphene Composites.

Anwendungen in Fahrzeug, Luftfahrt und Medizin

Forschung und Industrie sind gleichermaßen angetan von dem Material: Die Zahl der wissenschaftlichen aus Publikation Physik, Materialwissenschaft oder Chemie zu dem Material nimmt seit 10 Jahren zu, während sich in unterschiedlichen Industrien ebenso unterschiedliche Anwendungsfelder eröffnen, wie Dongju Chen, Jia Li, Kun Sun und Jinwei Fan im Artikel Graphene‑reinforced metal matrix composites: fabrication, properties, and challenges im International Journal of Advanced Manufacturing Technology 7-8/2023 schreiben:

Im Fahrzeugbau kommen vor die hervorragenden Schmiereigenschaften von Graphen sowie die hohe Verschleißfestigkeit von Graphen-Metallmatrix-Verbundwerkstoffen zum Tragen, beispielsweise im Bereich von Verbrennungsmotoren oder für Bremssysteme.

Mit ihrer herausragenden gewichtsspezifischen Festigkeit und der hohen Oberflächengüte sind Graphen-MMC im Flugzeugbau für Triebwerks-, Außenhaut- oder Fahrwerkskomponenten von großem Interesse, wobei Titan oder Aluminium als Matrixwerkstoffe in Frage kommen.

Für die biomedizinische Anwendungen ragen die exzellenten physikochemischen Eigenschaften des Graphens heraus sowie seine Biokompatibilität. Damit könnten sie Magnesiumimplantate verstärken und vor Korrosion schätzen.

MMCs sind einfach hergestellt, doch schwer zu verstehen

Überhaupt ist Graphen mit seiner hohen spezifischen Oberfläche, hervorragenden Barriereeigenschaften und seiner chemischen und thermischen Stabilität eine vielversprechendes Korrosionsschutzmaterial. Die Autoren um Dongju Chen rechnen damit, dass neue Entwicklungen im Korrosionsschutz künftig ganz entscheidend graphengetrieben sein werden.

Bis graphenbasierte MMCs allerdings breit zur Anwendung kommen, sind noch eine Reihe von Forschungsfragen zu lösen. Unter anderem ist bis heute nicht verstanden, welche nanoskaligen Mechanismen der Verstärkungswirkung von Graphen in Metallmatrizen zugrunde liegen. So lässt sich Graphen zwar ohne Weiteres in eine Metallmatrix einbringen, beispielsweise mittels Kugelmahlen, Pulvermetallurgie, chemische Gasphasenabscheidung, selektives Laserschmelzen oder Rührreibverfahren. Wie stark – und ob überhaupt – sich die mechanischen Eigenschaften des MMC dadurch verändern, lässt nicht zielgenau vorhersagen. MMCs mit gleichen Graphenanteilen, aber abweichender Mikrostruktur verfügen in der Regel auch über unterschiedliche mechanische Eigenschaften.

Forschung an Verteilung, Benetzung und Anwendung

Die Graphenlagen in der Herstellung gleichmäßig in der Matrix zu verteilen, ist dabei eine Herausforderung. Eine weitere ist die schlechte Benetzbarkeit zwischen Graphen und Metallmatrix und die damit verbundene geringe Bindung zwischen Graphen und Metall. Ein vielversprechender, aber noch nicht ausreichend erforschter Ansatz ist hier die Mikolegierungen der Metallmatrix mit starken karbidbildenden Elementen oder die Graphitdefekttechnik.

Ein anderer Ansatz ist das heute noch aufwendige Einbringen von Oberflächendefekten in das Graphen, um die Bildung von Grenzflächenoxiden/-karbiden anzureizen. Ein weiteres Forschungsthema ist, wie die Verschleißfestigkeit von Graphen-MMCs auch unter extremen Einsatzbedingungen wie Schlagbelastung oder unter Strahlung gewährleistet werden kann.