Haut aus Metall

Einer der ärgsten Feinde unserer hochgezüchteten Maschinenwelt ist auch heute noch der Rost. Zwar werden Flugzeuge, Autos oder Schiffe aufwändig lackiert, doch ein Kratzer genügt, und schon setzt wieder die Korrosion ein. Deshalb wird an so genannten selbstheilenden Schutzschichten aus Polymeren geforscht, in denen Risse und Kratzer sich nach kurzer Zeit wieder von selbst schließen – bislang aber mit mäßigem Erfolg. Forscher am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung haben nun erstmals eine Metallbeschichtung entwickelt, die wie eine Haut heilen soll.

Ebenso wie metallische Schutzschichten aus Zinc und Chrom kann der neue Werkstoff mittels Galvanotechnik auf Stahlteile aufgebracht werden. Für den Schutz sollen winzige Polymerkapseln in der 15 Mikrometer dicken Schicht sorgen. Wird die angekratzt, platzen die Kapseln auf und geben ihren Inhalt frei: etwa andere Polymere, die den Kratzer versiegeln, oder korrosionshemmende Flüssigkeiten.

Auf diese Weise sind bereits verschiedene Metalle und Legierungen, darunter Kupfer, Zink und Nickel, selbstheilend gemacht worden. Im Prinzip sollte sich die Technologie aber auf jedes Metall, das mittels Galvanotechnik verarbeitbar ist, anwenden lassen, sagt Fraunhofer-Forscher Harald Holeczek.

Zwar steht der letzte Nachweis einer erfolgreichen Selbstheilung noch aus, aber das Einbringen der Polymerkapseln in Metall sei bereits ein bedeutender Forschritt, urteilt Michael Kessler, Materialwissenschaftler an der Iowa State University. „Das ist die erste selbstheilende Beschichtung, die sich elektroplattieren lässt“, sagt Kessler. Als Elektroplattieren bezeichnet man das Abscheiden von dünnen Metallschichten in einem elektrochemischen Bad. „Der Vorteil ist, dass dieses Verfahren in der Industrie weit verbreitet ist.“

Für die Füllung der Polymerkapseln bieten sich verschiedenste Möglichkeiten an. Mit Mineralöl gefüllt, könnten entsprechend beschichtete Kugellager sich selbst schmieren. Farb- oder Duftstoffe könnten als Sensoren dienen, die anzeigen, wenn ein Stahlteil beschädigt wurde. Man könnte aber auch Kapseln mit verschiedenen Füllungen in der Metallschicht mischen, sagt Holeczek. Farben oder Duftstoffe direkt unter der Oberfläche würden dann Verschleiß signalisieren, während tiefergelegene Kapseln mit einem Schutzmaterial erst im Falle eines schweren Schadens wirken.

Beim Elektroplattieren dient der Gegenstand, der beschichtet werden soll, als negative Elektrode. Taucht man ihn in eine Elektrolytflüssigkeit ein, die positiv geladene Ionen des Schichtmetalls enthält, und schickt elektrischen Strom durch das Bad, lagern sich die Metallionen an dem Gegenstand an. So bildet sich langsam eine hauchdünne Metallschicht auf seiner Oberfläche.

In das elektrochemische Bad Nanokapseln hineinzugeben, ist allerdings nicht einfach. Denn die aggressive Elektrolytflüssigkeit könne sie leicht zersetzen, sagt Holeczek. Außerdem neigten die Kapseln in einem wässrigen Medium zum Verklumpen. Holeczek und seine Kollgen verhindern dies mit speziellen Chemikalien im Elektrolyt und im Kapselmaterial. Die genaue Zusammensetzung will er allerdings nicht verraten. Es sei aber gelungen, die Nanokapseln gleichmäßig im Metall zu verteilen, ohne dass sie ihre Materialeigenschaften verlieren.

Paul Braun, Materialwissenschaftler an der Universität von Illinois in Urbana-Champaign, warnt allerdings davor, die Kapseln zu klein zu machen. „Wenn der Kratzer 15 Mikrometer breit ist, können sie nicht genug Material freisetzen, um ihn wieder zu schließen.“ Braun hat selbst einen selbstheilenden Lack mit Mikrokapseln entwickelt, der gerade auf den Markt kommt. „Mit der richtigen Chemie könnte das neue Material aber enorm viele Möglichkeiten eröffnen.“ (nbo)