FOR 5657:  Bioinspiration gegen Ermüdung: Verbesserung der strukturellen Eigenschaften von Werkstoffen durch Abstraktion natürlich gewachsenen Ermüdungswiderstands

• Fachliche Zuordnung: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516930787

Ermüdungsversagen tritt oft scheinbar "plötzlich" auf, da sich die Schädigung makroskopisch nicht sichtbar über Tausende oder Millionen von Lastwechseln entwickelt, bei Lasten unterhalb der quasistatischen Festigkeit oder sogar unterhalb der Elastizitätsgrenze. Mikrostrukturelle Gegebenheiten beeinflussen den Ermüdungswiderstand, wie z.B. weiche Grenzflächen, Ausscheidungen oder Korn-/Partikelgröße. Diese erhöhen die Zähigkeit, Festigkeit oder plastische Verformbarkeit und behindern so Mikrorissbildung und -wachstum und erhöhen die Bruchenergie. Wir untersuchen die Wechselwirkungen zwischen mikrostrukturellen Einheiten und Ermüdung in verschiedenen synthetischen Kompositen, inspiriert vom Ermüdungswiderstand biologischer Materialien, die lange Prozesse natürlicher Selektion überlebt haben, ein Thema, das bisher selten als Quelle der Bioinspiration genutzt wurde. Koordiniert durch die Sprecherin, umfasst das Konsortium vier eng verknüpfte Projekte, von denen jedes gemeinsam von einer/einem biologischen und einer/einem technischen Materialwissenschaftler/in geleitet wird. Die Projekte fokussieren sich auf verschiedene, häufig anzutreffende, biologische, steife Strukturen, und komplementäre technische Verbundwerkstoffe. Einerseits untersuchen wir evolutionär gewachsenen Ermüdungswiderstand in einer Reihe biologischer, über lange Zeit zyklisch belasteter Systeme: Korallen, Zahnschmelz, Fischknochen und Holz. Alle unsere biologischen Vorbilder haben gemeinsam, dass sie über lange Zeit einer zyklischen Beanspruchung standhalten, aber keines von ihnen besitzt biologische Umbauprozesse, die durch Ermüdung geschädigtes Gewebe durch gesundes, neues Material ersetzen könnten. Sie decken außerdem einen großen Bereich von Zusammensetzungen und strukturellen Merkmalen ab. Andererseits nutzen wir moderne additive Fertigungs- und Syntheseansätze für die Strukturierung und Herstellung komplexer künstlicher Nanokompositsysteme. Die technischen Materialwissenschaftler/innen nutzen verschiedene Zusammensetzungen und Herstellungsmethoden, um mikrostrukturelle Merkmale, die in den biologischen Vorbildern als vorteilhaft identifiziert wurden, in ihre Strukturen einzuprägen. Die Ansätze der Partner/innen unterscheiden sich hinsichtlich der Zusammensetzung und der eingebrachten Kernmerkmale. Ein wichtiger Aspekt ist der Austausch von Materialien und Herstellungsmethoden zwischen den Projekten, um gemeinsam den Einfluss von der Prozessierung auf die Materialeigenschaften und die Anwendbarkeit komplementärer Herstellungsmethoden für das Design verschiedener bioinspirierter Komposite zu untersuchen. Unser übergreifendes Ziel ist es, die strukturellen Merkmale auf verschiedenen Längenskalen zu charakterisieren und zu untersuchen, wie sie von den biologischen Systemen auf technische Strukturen übertragen werden können, um deren Ermüdungswiderstand zu erhöhen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Internationaler Bezug: Israel

Projekte

• Koordinationsfonds (Antragstellerin Fleck, Claudia )
• P1 Geheimnisse der Korallen – wie widerstehen die Glasblumen des Ozeans der Ermüdung durch Wellen (Antragstellerinnen / Antragsteller Schmidt, Franziska ;  Zaslansky, Paul )
• P2 “Schmelz”: Natürlicher Zahnschmelz und Wasserglas-basierte Komposite - Untersuchung der Beziehung von Struktur und Funktion zweier komplementärer Systeme im Hinblick auf ihre Ermüdungsfestigkeit (Antragstellerinnen / Antragsteller Fleck, Claudia ;  Görke, Oliver ;  von Stein-Lausnitz, Manja )
• P3 - Fischknochen: Knochen ohne Zellen als Modelle für ermüdungsresistente Nanokomposite: wie geht anosteozytischer Fischknochen mit Ermüdung um? (Antragstellerinnen / Antragsteller Boccaccini, Aldo ;  Fleck, Claudia )
• P4 "Holz": Ermüdungsresistenz von lebenden Bäumen und Holz als Inspiration für feuchteresponsive Mineralien und Bilayer-Komposite (Antragstellerinnen Eder, Michaela ;  Schenk, Anna Sophia )

• Sprecherin: Professorin Dr.-Ing. Claudia Fleck