Innovative Analysemethoden für Hochleistungsmaterialien

Neues CD-Labor an TU Wien entwickelt Methoden zur Bestimmung von Materialien und Veränderungen bei Alterungsprozesse. Infineon und Voest als Industriepartner für wiederum vom BMAW unterstütztes Labor.

(red/cc) Klimawandel, Umweltverschmutzung und ein steigender Energieverbrauch sind Herausforderungen unserer Zeit und sie treiben den technologischen Fortschritt voran. Diese Innovationskraft wirkt sich ebenso auf die Entwicklung neuer Materialien aus. Spezielle Eigenschaften können hier nicht nur helfen, die Effizienz einer Technologie zu steigern, sondern durch verbesserte Zuverlässigkeit und Langlebigkeit auch Fortschritte in der Nachhaltigkeit ermöglichen.

Andreas Limbeck, Leiter der Forschungsgruppe Oberflächen-, Spurenanalytik und Chemometrie an der TU Wien, wird nun gemeinsam mit den Industriepartnern Infineon Technologies Austria und Voestalpine Stahl an der Entwicklung neuer Analysemethoden arbeiten, mit denen sich die exakte Zusammensetzung von Hochleistungsmaterialien sowie die räumliche Verteilung von Dotierungen, Additiven und Kontaminationen bestimmen lässt.

Die Basis für zuverlässige Materialien mit genau definierten Eigenschaften.
Die Zusammenarbeit erfolgt im Rahmen des soeben eröffneten Christian Doppler Labors für Chemische Analyse von Materialien aus industriellen Prozessen und Anwendungen. Das Bundesministerium für Arbeit und Wirtschaft (BMAW) fördert auch dieses neue CD-Labor. „Die nachhaltige Transformation stellt uns vor viele neue Herausforderungen in der Energiegewinnung, der Mobilität oder auch in der Infrastruktur“, so Martin Kocher, Arbeits- und Wirtschaftsminister zur Bedeutung des neuen CD-Labors.

„Die grundlegende Erforschung ihrer chemischen Struktur und Zusammensetzung schafft die Basis für die weitere Entwicklung von zuverlässigen Materialien mit genau definierten Eigenschaften. Mit dem Ausbau der Forschung werden wichtige Voraussetzungen geschaffen, um die Transformation zu fördern. Dadurch ergeben sich neue Möglichkeiten für die produzierenden Betriebe und der Innovationsstandort wird zusätzlich gestärkt“, unterstreicht Kocher.

Analytische Methodenentwicklung
Hochleistungsmaterialien wie Legierungen, Keramiken, synthetische Polymere oder Verbundwerkstoffe verfügen über außergewöhnliche Eigenschaften und kommen in anspruchsvollen Bereichen wie Energiegewinnung oder Infrastruktur zum Einsatz. Da die mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser Materialien eng mit deren chemischer Zusammensetzung verbunden sind, ist für die Optimierung der Materialien eine umfassende analytische Charakterisierung unerlässlich. An dieser Stelle setzt das jüngst eröffnete Christian Doppler Labor an.

„Wir möchten einerseits neue und individuell anpassbare Methoden entwickeln, mit denen sich die elementare Zusammensetzung von Hochleistungsmaterialien mit hoher Empfindlichkeit und räumlicher Auflösung untersuchen lässt. Andererseits möchten wir mehr über den Einfluss von Alterungsprozessen auf die Materialeigenschaften herausfinden“, erläutert Andreas Limbeck. Dieses Wissen wird schließlich genutzt, um die Herstellung bzw. Funktionalität der Materialien zu verbessern.

Anpassung der Materialeigenschaften durch Zugabe von Additiven oder Beschichtung der Oberfläche
Hochleistungsmaterialien werden unter anderem für Anwendungen mit sehr anspruchsvollen Betriebsbedingungen verwendet. Dies erfordert oft eine Anpassung der Materialeigenschaften durch Zugabe von Dotierstoffen bzw. Additiven oder durch Beschichtung der Oberfläche mit einem inerten, also kaum chemisch reagierenden, Material. Aufgrund der stetig steigenden Anforderungen im Bereich der Materialcharakterisierung, wie etwa eine bessere Empfindlichkeit oder höhere räumliche Auflösung, ist die erforderliche Kontrolle der chemischen Zusammensetzung mit etablierten Analyse-Techniken aber nur bedingt möglich.

Das neue CD-Labor soll daher bestehende Verfahren wie Laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS), Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma in Kombination mit Laser-Ablation (LA-ICP-MS), Sekundär-Ionen-Massenspektrometrie (SIMS) sowie elektrochemische Ansätze für eine verbesserte Charakterisierung von Hochleistungswerkstoffen weiterentwickeln.

Materialien besser verstehen und das Erfolgsmodell CD-Labors
Mit Hilfe von innovativen Stresstests und sogenannten Bewitterungs-Methoden sollen tiefreichende Einblicke über die Alterung der Materialien unter definierten, praxisnahen Bedingungen gewonnen werden. „Materialien können sich im Laufe der Zeit in ihrer chemischen Zusammensetzung ändern, beispielsweise durch Korrosionsprozesse, was einen Einfluss auf ihre Eigenschaften hat“ erklärt Limbeck. „Im Labor können wir den Alterungsprozess beschleunigen und so untersuchen, wie sich die Veränderungen auf die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer der Materialien auswirken“, so Limbeck.

In Christian Doppler Labors wird anwendungsorientierte Grundlagenforschung auf wirtschafts- und industrienahem Niveau betrieben. Wissenschaftler kooperieren dazu mit innovativen Unternehmen. Für die Förderung dieser Zusammenarbeit gilt die Christian Doppler Forschungsgesellschaft international als Best-Practice-Beispiel. CD-Labors werden von der öffentlichen Hand und den beteiligten Unternehmen gemeinsam finanziert. Wichtigster öffentlicher Fördergeber ist das Bundesministerium für Arbeit und Wirtschaft (BMAW).