Poröse Metalle mit komplexer Form & geordneter Mikrostruktur

Die Synthese von Metallpartikeln im Mikro- oder Nanometerbereich und deren Assemblierung zu größeren Formkörpern hat in den letzten Jahrzehnten zu faszinierenden Ergebnissen geführt. Die Herstellung von makroskopischen Objekten mit komplexen geometrischen Formen und gleichzeitig einer komplexen Mikrostruktur ist jedoch immer noch eine herausfordernde Aufgabe. Viele Fertigungsstrategien für poröse Metalle leiden unter derselben Einschränkung und es gibt daher einen Mangel an porösen Metallstrukturen, die komplexe, maßgeschneiderte Strukturen auf verschiedenen Längenskalen aufweisen. In diesem Projekt wollen wir Herstellungswege für poröse Metalle mit komplexen makroskopischen Formen und einer maßgeschneiderten Mikrostruktur aufzeigen, um die oben erwähnte Lücke bei den vorhandenen Fertigungsstrategien zu füllen, indem wir Herstellungsverfahren jenseits des aktuellen Stands der Technik entwickeln. Darüber hinaus sollte es möglich sein, neuartige Metallarchitekturen mit einzigartigen Strukturen und außergewöhnlichen (z.B. thermischen oder katalytischen) Eigenschaften zu entwickeln, die von Materialien aus herkömmlichen Herstellungsverfahren nicht erreicht werden. Im ersten Teil des beantragten Forschungsvorhabens an der ETH Zürich (Auslandsphase) sollen poröse Metalle mit einer gezielt angeordneten Porenstruktur hergestellt werden. Dazu sollen Metalle auf vorgeformte Partikel, die als Template dienen, abgeschieden werden. Anschließend werden diese Partikel auf die gewünschte Weise angeordnet und zusammengesetzt oder mittels 3D Druck weiterverarbeitet. Dazu werden zunächst anisotrope (und magnetische) Partikel hergestellt und mit Kupfer beschichtet. Diese Partikel sollen durch mechanische Kräfte oder Magnetfelder ausgerichtet und anschließend zu größeren Objekten mit anisotroper Mikrostruktur zusammengesetzt werden. Die Entfernung der Template ergibt Kupferschäume oder -schwämme mit einer gezielt angeordneten Porenstruktur. Im nächsten Schritt sollen diese Synthese- und Assemblierungstechniken mit der additiven Fertigung (3D Druck) kombiniert werden, um makroskopische Objekte mit komplexen Geometrien zu erzeugen. 3D-Druckansätze, die auf zwei verschiedenen Tinten (Form- und Texturiertinte) oder nur einer einzelnen, umfassenden Tinte basieren, sollen durchgeführt und die dafür notwendigen Tinten entwickelt werden. Im letzten Schritt sollen die oben genannten Syntheseansätze für poröses Kupfer auf andere Metalle wie Gold oder Nickel ausgeweitet werden. Während der Rückkehrphase an der Universität Salzburg sollen hierarchische poröse Metallstrukturen durch Metallabscheidung auf hierarchischen Templaten hergestellt werden. Darüber hinaus werden diese Template auch anisotrop angeordnet oder mittels 3D-Druck verarbeitet, um weitere Gestaltungspotenziale auszuschöpfen und die Komplexität sowohl im Makro- als auch im Mikrobereich zu erhöhen.

Im Rahmen dieses Projekts wurden verschiedene Methoden zur Herstellung von porösen Metallen mit komplexen makroskopischen Formen und gezielt gestalteten Mikro- oder Nanostrukturen untersucht. Der erste Ansatz basierte auf der Kombination der Synthese anisotroper Templatpartikel mit nasschemischer Metallabscheidung. Zuerst wurden anisotrope Calciumsulfatpartikel als Templat in wässriger Lösung hergestellt. Die nasschemische Abscheidung von metallischem Kupfer auf den zuvor synthetisierten Templatpartikeln wurde unter Verwendung von Kupfer(II)-acetylacetonat als Kupferquelle und Benzylalkohol als Reduktionsmittel erfolgreich durchgeführt. Für die gezielte Anordnung der resultierenden Mikrostruktur wurden zwei verschiedene Strategien untersucht, die auf der Anwendung mechanischer bzw. magnetischer Kräfte basierten. Für beide Ansätze konnte sowohl eine Ausrichtung einzelner beschichteter Partikel als auch eine Ausrichtung auf der globalen Ebene eines makroskopischen Objekts erreicht werden. Die Assemblierung der ausgerichteten Partikel zu einem monolithischen Material führte jedoch entweder zum Zusammenbruch der Struktur nach dem Entfernen des Templats oder zur Störung der Ausrichtung auf der globalen Skala. Das resultierende Material war daher in beiden Fällen ein poröser Metallmonolith mit unregelmäßiger Porenstruktur. Der zweite Ansatz basierte auf der nasschemischen Abscheidung von Metall auf hierarchisch strukturierten porösen Materialien, die als Templat dienten. Ein auf Sol-Gel-Chemie basierender Syntheseweg wurde angewandt, um hierarchische Kohlenstoffmonolithen mit Poren auf drei verschiedenen Hierarchieebenen herzustellen. Während die Makroporenstruktur dieser Materialien durch nasschemische Abscheidung mit Kupfer beschichtet werden konnte, waren kleinere Strukturen wie Mikro- und Mesoporen mit diesem Ansatz nicht zugänglich. Darüber hinaus konnte ein Gradient in der Güte der Metallbeschichtung aufgrund von Diffusionsbeschränkungen von der Außenseite zur Innenseite des zylindrischen Monolithen beobachtet werden. Neben dem Hauptschwerpunkt wurden im Rahmen des Projekts auch einige Nebenaspekte des extrem vielseitigen, nasschemischen Abscheidungsverfahrens für metallisches Kupfer untersucht. Eines dieser Projekte konzentrierte sich auf die Abscheidung von Kupfer auf verschiedenen Fäden und Geweben, die nach der Beschichtung eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit aufwiesen und somit als Stromabnehmer für flexible Elektronik verwendet werden könnten. In einem anderen Nebenprojekt wurden 3D-gedruckte, makroporöse Polyvinylidenfluorid (PVDF)-Strukturen als Template untersucht. Da die gedruckten Objekte jedoch während der Metallabscheidung nicht stabil waren, wurde ein anderer Ansatz angewandt, der auf dem 3D-Druck einer speziellen PVDF-Tinte basierte, die Kupfer-Nanodrähte (CuNWs) enthielt. Dieses Verfahren ermöglichte die Herstellung von PVDF-CuNW-Verbundobjekten, die aufgrund ihrer piezoelektrischen Eigenschaften relevant für Sensor- und Aktuatoranwendungen sein könnten.