Verschleißfestigkeit in natürlichen Materialien: Die Rolle von Mikroarchitektur

• Antragstellerin: Dr. Maryam Tadayon
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 490987316

Alle mechanischen Arbeitselemente sind Verschleißschäden ausgesetzt, wobei biologische Werkzeuge keine Ausnahme bilden. Durch verschiedenste, ausgefeilte, hierarchische Architekturen genügen natürliche Materialien tribologischen Ansprüchen, was für das Überleben vieler Arten von zentraler Bedeutung ist. Zahnartige Strukturen beispielsweise müssen wiederholte Kontaktbelastungen ohne nennenswerte Materialverluste tolerieren. Allerdings ist über Verschleißschadensmechanismen nur sehr wenig bekannt und es existiert kein einzelnes umfassendes analytisches Modell, um sie vorherzusagen. In dem hier vorgeschlagenen Forschungsvorhaben werden wir modernste experimentelle Techniken und numerische Ansätze kombinieren, um die Verschleißschäden an heterogenen, biologischen Modellsystemen wie kutikulärer Werkzeuge von Arthropoden (Chitin-Basis) und Krebsmandibeln (Apatit/Chitin-Basis) unter Berücksichtigung ihrer spezifischen Funktion innerhalb des biologischen Systems zu identifizieren. Zunächst werden wir unterschiedliche Methoden zur Charakterisierung unserer Modellsysteme hinsichtlich ihrer Materialzusammensetzung, Mikroarchitektur und Mikromechanik anwenden. Zudem wird nach der Erzeugung multidirektionaler Schäden eine Schadensanalyse durchgeführt werden, um die mechanischen Defekte mit der inhärenten Mikroarchitektur des Materials zu korrelieren und dadurch die dominanten Verschleiß- und Rissableitungsmechanismen aufzuklären. Die Spannungsfeldgeometrie wird mittels numerischer Finite-Elemente-Analysen vorhergesagt werden, um die Rolle von anisotroper Mikroarchitektur, mechanischer Gradierung und tribologischer Eigenschaften weiter zu verstehen. Der Einblick in die Verschleißschadensmechanismen und Werkstoffheterogenität kann somit dazu dienen, die die etablierte Kontaktmechanik-Theorie hinsichtlich der Fließ- und Bruchspannungen zu verfeinern und neue effektive Parameter in die Verschleißschadensbewertung einzuführen. Unser umfassendes experimentelles und analytisches Verständnis kann auch dazu dienen neue Konstruktionsprinzipien für die Herstellung von hochleistungsfähigen, verschleißfesten, bioinspirierten und funktional abgestuften Werkstoffen und Beschichtungen für industrielle und biomedizinische Anwendungen zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen