Einfluss der Graphendispersion in Aluminium-Graphen-Verbundwerkstoffen auf die mechanischen und elektrischen Eigenschaften von stranggepressten Profilen

• Antragsteller: Professor Dr. Aleksander Gurlo; Dr.-Ing. Maik Negendank
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426183735

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Aus der Fachliteratur ist bekannt, dass Graphen außergewöhnlich positive mechanische und physikalische Eigenschaften aufweisen kann. Dies ist jedoch nur dann gegeben, wenn es in Form einzelner Monolagen vorliegt. Zwischen den Graphenmonolagen wirken jedoch Van-der- Waals-Anziehungskräfte, die dazu führen, dass eine hohe Tendenz zu Cluster- und Agglomeration besteht. Dadurch werden jedoch die hervorragenden Eigenschaften des Graphens deutlich abgeschwächt. Hauptziel des Vorhabens war es, durch geeignete verfahrenstechnische Maßnahmen im Rahmen einer pulvermetallurgischen Herstellungsroute von Aluminium-Graphen-Verbundwerkstoffen eine möglichst gute Vereinzelung von Graphenlagen sowie eine homogene Dispersion der Graphenpartikel in der Aluminiummatrix zu erreichen. Hierzu wurden neben dem mechanischen Mischen, das Attritormahlen, das Mahlen mittels Schwingscheibenmühle (Disc-Milling) und das Kugelmahlen untersucht. Die Pulver mit kommerziell erhältlichen Graphen-Nanopartikeln (GNPs) sowie selbst synthetisierten kohlenstoffbasierten Partikeln wurden anschließend stets kompaktiert, stranggepresst und charakterisiert. Das rein mechanische Vermischen sowie das Attritormahlen führten kaum zu signifikant positiven Eigenschaftsänderungen der Verbundwerkstoffe. Bei der Verarbeitung über kurzzeitiges (5min) Disc-Milling wurden Festigkeitssteigerungen von bis zu 30% ermittelt. Im Falle der Dehngrenze wurde eine Erhöhung um 30% jedoch lediglich für das selbst synthetisierte oxalic acid exfoliated graphite (OAEG) erreicht, während bei Verwendung von kommerziellen GNPs nur eine Steigerung um 20% realisiert werden konnte. Ergebnisse der Ramanspektroskopie deuteten darauf hin, dass OAEG aus weniger Graphenlagen besteht (jedoch immer noch viellagig) und weniger defektbehaftet ist als kommerzielle GNPs. Dies wird neben der geringeren Partikelgröße als Hauptgrund für die besseren Verbundwerkstoffeigenschaften angesehen. Das Kugelmahlen führte absolut betrachtet zu den höchsten Steigerungen der mechanischen Eigenschaften. Durch Variation der Mahlparameter und den damit einhergehenden höheren Energieeintrag in das Pulvergemisch konnten bei den untersuchten Verbundwerkstoffen Festigkeitssteigerungen von bis zu 212% (von Rm=114MPa auf Rm=356MPa) festgestellt werden. Allerdings wurden auch die Festigkeitswerte von Reinaluminium durch Kugelmahlen erheblich von Rm=114MPa auf Rm=326MPa und damit um bis zu 186% erhöht. Daraus wurde geschlussfolgert, dass die Festigkeitssteigerung beim Kugelmahlen primär auf die Verfestigung des Matrixmaterials und nur zu etwa 10% auf Partikelverfestigung durch Graphen zurückzuführen war. Weitere Verarbeitungsansätze wie eine zusätzliche Scherumformung mittels Extrusion-Shear sowie das Aufbringen einer Beschichtung aus reduziertem Graphenoxid (rGO) auf das Aluminiumpulver mittels Grafting erbrachten keine positiven Resultate. Des Weiteren konnte bei keinem der untersuchten Verarbeitungsansätze eine Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit der Aluminium-Graphen-Verbundwerkstoffe gegenüber gleichverarbeitetem Reinaluminium festgestellt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Extrusion and characterization of aluminum/graphene composites. ESAFORM 2021.
  Negendank, Maik; Faezi, Hamidreza Rabi; Ovsianytskyi, Oleksandr; Goerke, Oliver; Gurlo, Aleksander & Müller, Sören
  
• Aluminum-Anodes for Metal-Air-Batteries. The Minerals, Metals & Materials Series, 467-477. Springer Nature Switzerland.
  Heydrich-Bodensieck, Janne Max; Negendank, Maik & Müller, Sören
  
• Effects of disc milling and indirect extrusion processing on mechanical properties of aluminum-graphene-composites with commercial GNPs. Materials Research Proceedings, 28, 455-466. Materials Research Forum LLC.
  NEGENDANK, M.
  
• Effect of ball milling processing on mechanical properties of extruded aluminum-graphene-composites with commercial and self-synthesized graphene sources. Materials Research Proceedings, 41, 696-705. Materials Research Forum LLC.
  NEGENDANK, Maik