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Erfinderpreis

Metallische Gläser mit Leichtbaupotenzial

| Redakteur: Beate Christmann

Ein Saarbrücker Forscherteam wurde für die Entwicklung einer neuen Klasse metallischer Gläser mit einem Erfinderpreis der Universität des Saarlandes ausgezeichnet. Die Legierung aus Titan und Schwefel, die sie gemeinsam mit dem Technologiekonzern Heraeus entwickelt haben, soll sehr leicht und fest sein und sich damit für die Konstruktion von Leichtbauteilen für die Luft- und Raumfahrt eignen.

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Amorphe Proben aus einer neuen Titan-Schwefel-Legierung, die drei junge Doktoranden der Universität des Saarlandes gemeinsam mit dem Technologiekonzern Heraeus entwickelt haben. Sie soll gleichzeitig leicht und fest sein (im Hintergrund, von links nach rechts, sind die Bestandteile der neuen Legierung zu sehen: Nickel, Zirkonium, Schwefel, Kupfer, Titan).
Amorphe Proben aus einer neuen Titan-Schwefel-Legierung, die drei junge Doktoranden der Universität des Saarlandes gemeinsam mit dem Technologiekonzern Heraeus entwickelt haben. Sie soll gleichzeitig leicht und fest sein (im Hintergrund, von links nach rechts, sind die Bestandteile der neuen Legierung zu sehen: Nickel, Zirkonium, Schwefel, Kupfer, Titan).
(Bild: Oliver Gross/Universität des Saarlandes)

Amorphe Metalle oder metallische Gläser – das sind Legierungen, die ganz andere Eigenschaften als ihre Ausgangsmaterialien aufweisen. Den drei Doktoranden Alexander Kuball, Benedikt Bochtler und Oliver Gross von der Universität des Saarlandes soll es nun gemeinsam mit dem Industriepartner Heraeus gelungen sein, eine ganz neue Klasse amorpher Metalle zu entwickeln: Sie sollen eine Legierung aus Titan und Schwefel erzeugt haben, die gleichzeitig leicht und fest ist.

„Schwefel hatte keiner mehr auf der Rechnung“

„Schwefel hatte 20, 30 Jahre lang keiner auf der Rechnung, weil es in keinem Versuch zuvor funktioniert hat. Und wenn es 30 Jahre lang nicht funktioniert hat, forscht keiner mehr mit damit, um bessere Werkstoffe damit zu erhalten“, erläutert Oliver Gross. Die jungen Wissenschaftler hatten allerdings den richtigen Riecher und Schwefel dennoch als Beimischung verschiedener Metalle getestet.

Gegenüber bisheriger Werkstoffe dieser Klasse weist die Legierungen nach Ansicht der Forscher mehrere entscheidende Vorteile auf: Die Verbindungen bestehen hauptsächlich aus Titan und Schwefel und damit aus Elementen, die sehr häufig auf der Erde vorkommen und industriell sehr gut nutzbar sind. Und anders als amorphe Metalle auf Basis von Zirkonium, Palladium oder Platin ist Titan verhältnismäßig günstig, ebenso wie der Schwefel, der darüber hinaus keine hochgiftige Wirkung hat wie die in solchen Legierungen bisher häufig verwendeten Elemente Beryllium oder Phosphor.

Prädestiniert für den Einsatz im Leichtbau

Nach ungefähr 250 Experimenten, in denen das Team die Mischungsverhältnisse von Titan, Schwefel und weiterer Stoffe in feinsten Variationen miteinander kombinierten, fand es schließlich die richtige Abstimmung. Die von ihm entwickelten Legierungen sollen etwa um das Doppelte fester als gängige Metalle auf Titanbasis derselben Dichte, also desselben Gewichts, sein. Damit würden sie sich zur Herstellung leichter, kleiner Bauteile eignen, zum Beispiel für die Luft- und Raumfahrt, wo jedes Gramm eingespartes Gewicht zählt, gleichzeitig aber auch die Stabilität und Festigkeit des Materials entscheidend ist.

Essenziell für diese Eigenschaften sei das Herstellungsverfahren, wie die Wissenschaftler erläutern: Die über 1100 °C heiße Schmelze wird dafür blitzartig abgekühlt, so dass keine klassische Legierung entsteht, deren Atome sich während des lang andauernden Abkühlens in einem regelmäßigen Kristallgitter anordnen. Sie erstarrt hingegen in der ungeordneten Atomstruktur der Schmelze. Dieser strukturelle Zustand wird auch als Glas bezeichnet. Das Chaos im Aufbau verleiht dem Metallischen Glas Eigenschaften, die ganz anders sind als der herkömmlichen Legierung derselben Ausgangsstoffe. Diese Metallischen Gläser sind fest wie Stahl, aber gleichzeitig elastisch wie Kunststoff.

Bereits zum Patent angemeldet

Für ihre Entdeckung wurden die drei jungen Erfinder mit dem Erfinderpreis der Kontaktstelle für Wissens- und Technologietransfer ausgezeichnet. Die neue Legierungsklasse wurde zum Patent angemeldet. Heraeus hat sich für den größten Teil der neuen Legierungen die Verwertungsrechte gesichert, so dass die Chancen gut stehen, dass diese ihren Weg in die industrielle Nutzung finden werden.

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