Metallische Filme als Modellsystem für Metallschäume
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Arbeit des Antrages griff die von wässrigen Schaumsystemen her bekannte Idee auf, die Stabilität strukturell komplexer, durch Gasinjektion hergestellter Schäume durch ein einfaches Modellsystem einzelner Filme zu beschreiben. Um dies für Metallschäume zu bewerkstelligen, wurden verschiedene Drahtrahmenskelette in Schmelzen getaucht, wobei sich nach dem Herausziehen aus dem flüssigen Metall ein in deren Mitte befindlicher metallischer Film aufspannt. Dieser Film, der als Imitat einer realen Zellwand angesehen werden kann, erlaubt es, Stabilisationsmechanismen differenzierter zu untersuchen und konkreter zu beschreiben als es in dem abgeschlossenen und komplexeren System eines Metallschaums möglich wäre. Experimente mit einem einzelnen Drahtrahmen zeigten, dass Filme selbst bei kleinsten Drahtrahmengrößen (6 mm) und höchsten Partikelgehalten (20 Vol.%) ohne Sauerstoff nicht stabilisiert werden können. Wurde hingegen ein Sauerstoffgehalt von lediglich 1500 ppm O2 eingestellt und der Legierung 0,6 Gew.% Mg zugegeben (AlSi9Mg0,6), so konnten Filme selbst ohne Partikel stabilisiert werden, was für Schäume bis dato nicht möglich war. Die Notwendigkeit von Sauerstoff und die Stabilisation alleine durch dessen Präsenz war unerwartet und ist in durch Gasinjektion hergestellten metallischen Schäumen unbekannt. Hält man Filme hingegen im flüssigen Zustand und läßt Drainage zu, so sind wiederum sehr wohl Partikel von Nöten. Diese Umstände bringen das Modelsystem näher an die Metallschäume zurück und erlauben es, konkretere Schlussfolgerungen aus diesem System zu ziehen. All diese Experimente zeigen, dass neben Partikeln und Sauerstoff auch Magnesium eine bedeutende Rolle spielt. Dies steht in engem Zusammenhang mit der beschleunigten Oxidation in der Anwesenheit von Magnesium. Denn nur wenn eine ausreichend hohe Sauerstoffkonzentration in Kombination mit einem ausreichenden Magnesiumanteil vorliegt, kann eine kontinuierliche Oxidschicht rasch genug geformt und der Film stabilisiert werden. In-situ Röntgenradiographie zeigte, dass die steife, unbewegliche Oxidhaut die Bewegung von Partikeln behindern und diese an einer festen Position fixieren kann. Nur durch diesen ausreichenden Halt ist es möglich, dass interzellulare Kräfte aufgebaut werden können, die eine Zellwand stabilisieren. Experimente mit der Gasinjektion in Metallschmelzen bestätigten, dass stabile Schäume nur bei Verwendung eines sauerstoffreichen Injektionsgases unter atmosphärischen Bedingungen stabil sind. Wird hingegen auch hier jeglicher Kontakt mit Sauerstoff durch Einstellen einer Argonblase um die Probe vermieden, so wird keine stabile Schaumstruktur beobachtet, selbst bei dem höchsten Partikelgehalt. Legierungen frei von jeglichen zugegebenen keramischen Partikeln zeigten hingegen zumindest für eine kurze Zeit eine schaumähnliche Struktur. Diese Resultate zeigen, dass Erkenntnisse von einfachen Modellen auf Metallschäume übertragen werden können und lassen den Schluss zu, dass einzelne, flüssige Filme von den selben Gesetzmäßigkeiten bestimmt werden wie die Strukturelemente in metallischen Schäumen. So konnte das Wissen, dass Partikel für eine erfolgreiche Schaumentstehung von Nöten sind, durch die Erkenntnis erweitert werden, dass Sauerstoff und die damit einhergehende Bildung einer steifen und zugleich elastischen Oxidhaut eine noch bedeutendere Stellung einnimmt und die Basis jeglicher Stabilisation von metallischen Schäumen ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Foamability of MgAl2O4 (spinel)- reinforced aluminium alloy composites, Metallurgical and Materials Transactions A 42(9), 2898–2908 (2011)
G.S. Vinod Kumar, M. Charkraborty, F. García-Moreno, J. Banhart
- Metallic films – A model system to understand stabilization mechanisms in aluminium foams, 7th International Conference on Porous Metals and Metallic Foams (MetFoam2011), Busan (Korea), 18.-21.09.2011
K. Heim, G.S. Vinod Kumar, F. García-Moreno, M. Wollgarten, J. Banhart
- Stabilization in Aluminium based single films under controlled atmosphere, 10th European Conference on Foams and Applications ( EuFoam 2012), Lisbon (Portugal), 8.-11.07.2012
K. Heim, G.S. Vinod-Kumar, F. Garcia-Moreno, I. Manke, J. Banhart
- Drainage of particle-stabilised aluminium composites through single films and Plateau borders, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 438, 85–92 (2013)
K. Heim, G.S. Vinod-Kumar, F. Garcia-Moreno, I. Manke, J. Banhart
- Role of ambient oxygen by the stabilization of single Al-films, 8th International Conference on Porous Metals and Metallic Foams (MetFoam2013), Raleigh (USA), 23-26.06.2013
K. Heim, G.S. Vinod-Kumar, F. Garcia-Moreno, J. Banhart
- Stabilisation mechanisms of particles in aluminium single films and foams , Microscopy Conference (MC) 2013, Regensburg (Germany), 25.-30.08.2013
K. Heim, G. S. Vinod Kumar, F. Garcia-Moreno, M. Wollgarten, J. Banhart
- The rupture of a single liquid aluminium alloy film, Soft Matter 10(26) 4711–4716 (2014)
K. Heim, F. García-Moreno, G.S. Vinod Kumar, A. Rack, J. Banhart
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c4sm00487f)
