Erforschung der Skalierungsgesetze von hierarchischen nanoporösen Materialien, die durch additive Fertigung und Liquid-Metal-Dealloying synthetisiert wurden

• Antragsteller: Dr.-Ing. Ilya Okulov
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 568922087

Hierarchische nanoporöse Materialien stellen einen innovativen Fortschritt in der Materialwissenschaft dar und bieten einen Paradigmenwechsel gegenüber herkömmlichen nanoporösen Materialien. Durch ihre hierarchische Natur verfügen hierarchische nanoporöse Materialien über eine ausgezeichnete Funktionalität, z. B. einen effizienten Stofftransport und eine bessere Zugänglichkeit aktiver Stellen, was zu verbesserten katalytischen und sensorischen Fähigkeiten beiträgt. Die hierarchischen porösen Strukturen weisen auch eine bessere mechanische Festigkeit und strukturelle Stabilität auf, was sie zu hervorragenden Kandidaten für Anwendungen macht, die robuste und leichtgewichtige Eigenschaften erfordern. Dieses Forschungsprojekt zielt auf die Erforschung hierarchischer poröser Materialien, die durch eine innovative Prozesskette aus additiver Fertigung (oder 3D-Druck) und Liquid-Metal-Dealloying hergestellt werden. Durch die Integration des 3D-Drucks in den Herstellungsprozess wird das Potenzial hierarchischer nanoporöser Materialien um eine weitere Dimension erweitert. Die Formfreiheit des 3D-Drucks ermöglicht eine präzise Kontrolle über die Architektur und Geometrie der hierarchischen Strukturen und eröffnet den Weg für die Entwicklung neuartiger Materialien mit noch nie zuvor dagewesener Funktionalität. Die Hypothesen und Ziele des Projekts sind im Folgenden aufgeführt. Hypothese: I. Hierarchische nanoporöse Materialien können durch die Kombination von digital gestalteter Porosität durch additive Fertigung mit selbstorganisierter Porosität durch Liquid-Metal-Dealloying synthetisiert werden. II. Bulk (industrieller Maßstab, cm - dm) und robuste (selbststehende) nanoporöse Strukturen können mit additiv hergestellten offenporösen Precursoren synthetisiert werden. Digital gestaltete Porosität im um/mm-Maßstab in der 3D-gedruckten porösen Precursoren unterstützt die Beseitigung der kinetischen Beschränkungen des Dealloyings. III. Der Liquid-Metal-Dealloying-Prozess und die mechanischen Eigenschaften der porösen Materialien können modelliert werden unter Verwendung multiskaliger Ansätze. Zielsetzungen: (i) Erforschung der Möglichkeiten der Kombination von additiver Fertigung und Liquid-Metal-Dealloying zur Herstellung hierarchischer poröser Strukturen mit kontrollierter Porosität und Mikrostruktur. (ii) Quantitative Modellierung des Liquid-Metal-Dealloying-Prozesses für die untersuchten Systeme (TiCu in Mg und NbTi in Cu) und für beliebige komplexe Geometrien, um die Dealloying-Tiefe und die Zusammensetzungsgradienten als Funktion der Zeit vorherzusagen. (iii) Erforschung von Skalierungsgesetzen für die mechanischen Eigenschaften hierarchischer poröser Strukturen durch eine Kombination aus mechanischen Tests und numerischen Simulationen unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Sylvain Dancette; Dr. Pierre-Antoine Geslin